Варистор. принцип работы и применение

Принцип работы варистора и сфера применения

Электронный полупроводниковый прибор, способный под воздействием приложенного напряжения любой полярности в больших пределах изменять свое сопротивление, называется варистором.

В отличие от стабилитрона он имеет ярко выраженную нелинейную, но симметричную вольт-амперную характеристику.

Аналогичную характеристику можно получить встречным соединением двух стабилитронов.

При превышении приложенного напряжения свыше определенного порога, наступает так называемый пробой (срабатывание).

Сопротивление варистора скачком снижается от миллионов Ом (МОм) до единиц Ом, вызывая огромное увеличение протекающего через него тока.

В сети могут спонтанно появляться перенапряжения длительностью от десятков миллиардных до сотен миллионных долей секунды, так называемые сетевые помехи.

Они представляют большую опасность для оборудования, так как стандартные устройства защиты не успевают среагировать на них.

Несмотря на то, что длительность таких импульсов очень мала, они могут вызвать пробой рабочей изоляции проводов, обмоток трансформаторов, электродвигателей.

А также вывести из строя такие полупроводниковые элементы как тиристоры, транзисторы, и т.д.

Причины появления перенапряжений могут быть различными:

• наводки от мощных радиостанций
• грозовые разряды
• коммутационные перенапряжения в железнодорожных сетях
• работа мощных преобразовательных устройств
• работа сварочного оборудования и т.д.

Варистор подключается параллельно защищаемому элементу или участку цепи. Например, для защиты телевизора, получающего питание от нестабильной сети, в которой возможны скачки напряжения.

При увеличении напряжения до порогового напряжения наступает пробой, сопротивление прибора резко падает, ток, потребляемый от сети, возрастает до значений тока короткого замыкания.

А напряжение питания нагрузки снижается до минимальной величины за счет падения его на подводящих проводах.

Области применения варисторов в качестве защитных устройств самые разнообразные:

1. Низковольтное оборудование – вычислительная техника, медицинское оборудование, устройства связи и передачи информации, управляющие контроллеры, бытовая электроника.
2. Силовые источники питания и преобразователи: выпрямители, частотные преобразователи, источники бесперебойного питания.
3. Автомобильная электроника.
4. Электродвигатели, устройства возбуждения генераторов, электроприводы станков, роботов.
5. Радио и телевизионные передатчики;
6. Бытовые удлинители и переноски.

Урок 1. Назначение и принцип действия ОПН

Ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН)-электрические аппараты, предназначенные для защиты оборудования систем электроснабжения от коммутационных и грозовых перенапряжений. Основным элементом ОПН является нелинейный резистор – варистор ( varistor, от англ. Vari(able) (Resi)stor – переменное, изменяющееся сопротивление).

Основное отличие материала нелинейных резисторов ограничителей от материала резисторов вентильных разрядников состоит в резко нелинейной вольт-амперной характеристики (ВАХ) и повышенной пропускной способности. Применение в ОПН высоконелинейных резисторов позволило исключить из конструкции аппарата искровые промежутки, что устраняет целый ряд недостатков, присущих вентильным разрядникам.

Основной компонент материала резисторов ОПН – оксид (окись) цинка ZnO. Оксид цинка смешивают с оксидами других металлов – закисью и окисью кобальта, окисью висмута и др. Технология изготовления оксидно-цинковых резисторов весьма сложна и трудоёмка и близка к требованиям при производстве полупроводников – применение химически чистого исходного материала, выполнение требований по чистоте и т. д. Основные операции при изготовлении – перемешивание и измельчение компонентов, формовка ( прессование) и обжиг. Микроструктура варисторов включает в себя кристаллы оксида цинка (полупроводник n – типа) и междукристаллической прослойки ( полупроводник p – типа). Таким образом, варисторы на основе оксида цинка ZnO являются системой последовательно – параллельно включённых p – n переходов. Эти p – n переходы и определяют нелинейные свойства варисторов, то есть нелинейную зависимость величины тока, протекающего через варистор, от приложенного к нему напряжения.

В настоящее время варисторы для ограничителей изготовляются как цилиндрические диски диаметром 28 – 150 мм, высотой 5 – 60 мм (рис 1). На торцевой части дисков методом металлизации наносятся алюминиевые электроды толщиной 0.05-0.30 мм. Боковые поверхности диска покрывают глифталевой эмалью, что повышает пропускную способность при импульсах тока с крутым фронтом.

Рис. 1. Нелинейный резистор – варистор

Диаметр варистора ( точнее — площадь поперечного сечения ) определяет пропускную способность варистора по току, а его высота — параметры по напряжению.

При изготовлении ОПН то или иное количество варисторов соединяют последовательно в так называемую колонку. В зависимости от требуемых характеристик ОПН и его конструкции и имеющихся на предприятии варисторов ограничитель может состоять из одной колонки (состоящей даже из одного варистора) или из ряда колонок, соединённых между собой последовательно/ параллельно.

Для защиты электрооборудования от грозовых или коммутационных перенапряжений ОПН включается параллельно оборудованию (рис. 2 ).

Рис.2

Защитные свойства ОПН объясняются вольт–амперная характеристикой варистора.

Вольт – амперная характеристика конкретного варистора зависит от многих факторов, в том числе от технологии изготовления, рода напряжения — постоянного или переменного, частоты переменного напряжения, параметров импульсов тока, температуры и др.

Типовая вольт- амперная характеристика варистора с наибольшим длительно допустимым напряжением 0.4 кВ в линейном масштабе приведена на рис. 3.

Рис. 3. Вольт – амперная характеристика варистора

На вольт – амперной характеристике варистора можно выделить три характерных участка: 1) область малых токов; 2) средних токов и 3) больших токов. Область малых токов – это работа варистора под рабочим напряжением, не превышающим наибольшее допустимое рабочее напряжение. В данной области сопротивление варистора весьма значительно. В силу неидеальности варистора сопротивление хотя и велико, но не бесконечно. поэтому через варистор протекает ток, называемый током проводимости. Этот ток мал — десятые доли миллиамперметра.

При возникновении грозовых или коммутационных импульсов перенапряжений в сети варистор переходит в режим средних токов. На границе первой и второй областей происходит перегиб вольт – амперной характеристики, при этом сопротивление варистора резко уменьшается (до долей Ома). Через варистор кратковременно протекает импульс тока, который может достигать десятков тысяч ампер. Варистор поглощает энергию импульса перенапряжения, выделяя затем её в виде тепла, рассеивая в окружающее пространство. Импульс перенапряжения сети “ срезается” (рис. 4).

Рис. 4

В третьей области ( больших токов) сопротивление варистора снова резко увеличивается. Эта область для варистора является аварийной.

Справочник и маркировка варисторов

Если необходима замена, на помощь придет справочник варисторов. Для начала нам потребуется маркировка варистора, она находится на самом корпусе в виде латинских букв и цифр. Хотя этот элемент производится во многих странах, маркировка не имеет принципиальных отличий.

Разные изготовители и маркировка разная 14d471k и znr v14471u. Однако параметры одни и те же. Первые цифры «14» это диаметр в мм., второе число 471 — напряжение при котором происходит срабатывание (открытие). Отдельно про маркировку. Первые две цифры (47) это напряжение, следующая — коэффициент (1). Он показывает сколько нулей нужно ставить после числа 47, в этом случае 1. Получается что испытуемый прибор будет срабатывать при 470 В, плюс — минус погрешность, которая ставится рядом с этим числом. В нашем случае это буква «к» находится после и обозначает 10% т. е. 47 В.

Другая маркировка s10k275. Показатель погрешности стоит перед напряжением, само напряжение показано без коэффициента — 275 В. Из рассмотренных примеров видим, как можно определить маркировку: измеряем диаметр прибора, находим эти размеры на варисторе, другие цифры покажут напряжение. Если определить маркировку не удается, например, kl472m, нужно будет посмотреть в интернете.

Диаметр. Импортные tvr 10471 можно заменить на 10d471k, но быть осторожным с 7d471k, у последнего размер меньше. Чем больше значение, тем, грубо говоря, больше рассеиваемая мощность. Поставив прибор меньшего диаметра, рискуем его спалить. К примеру, серия 10d имеет рабочий ток 25А, а k1472m 50А.

Чтобы правильно выбрать нужный элемент необходимо учитывать не только напряжение питания. Производят множество расчетов, например, выходя из нужного быстродействия (срабатывания), или малое рабочее напряжение. В этом случае используют так называемые защитные диоды. К ним можно отнести bzw04

При его применении важно соблюдать полярность

Помехоустойчивость. Одним из недостатков является создание помех. Для борьбы с ними используют конденсаторы, например, ac472m Подключают параллельно варистору.

На схеме варистор обозначается как резистор, пустой прямоугольник с перечеркивающей под 45 градусов линией и имеет букву u.

Каждый электронный прибор, который включен в сеть нуждается в защите от превышения пороговых значений тока или напряжения. Для защиты по току применяют различные плавкие предохранители и автоматические выключатели, а вот для предохранения устройства от перенапряжения чаще всего применяют варисторы. В данной статье мы рассмотрим принцип работы варистора, его характеристики, достоинства и недостатки этого электронного компонента.

Назначение и характеристики

Варистор — это электронный прибор, имеющий два контакта и обладающий нелинейно-симметричной вольт-амперной характеристикой. Термин «варистор» произошёл от латинских слов variable — «изменяемый» и resisto — «резистор». По своей сути он является полупроводниковым резистором, способным изменять своё сопротивление в зависимости от приложенного к его выводам напряжения.

Изготавливаются такого типа резисторы путём спекания при высокой температуре полупроводника и связующего материала. В качестве полупроводника используется карбид кремния, находящийся в порошкообразном состоянии, или оксид цинка, а связующего вещества — стекло, лак, смола. Полученный после спекания элемент подвергается металлизации с дальнейшим формированием выводов. По своей конструкции приборы выполняются в форме, похожей на диск, таблетку, цилиндр, или плёночного вида.

Обладая свойством резко уменьшать своё сопротивление при возникновении на его выводах определённого напряжения, варистор применяется в электронных схемах в качестве защитного элемента. При возникновении броска напряжения определённой величины полупроводниковый прибор мгновенно снижает своё внутреннее сопротивление до десятков Ом, тем самым практически закорачивая цепь, не давая импульсу повредить остальные элементы схемы. Поэтому важным параметром варистора является значение напряжения, при котором наступает пробой устройства.

Основные параметры

Перед тем как проверить варистор на исправность, необходимо понимать не только принцип его действия, но и знать, какими характеристиками он обладает. Как и любой электронный элемент, варистор имеет ряд характеристик, которые позволяют его использовать в различных схемах. Основным параметром является вольт-амперная характеристика (ВАХ). Она наглядно показывает, как меняется ток при той или иной величине напряжения. Изучая ВАХ, можно увидеть что варистор, обладая симметрично-двунаправленной характеристикой, работает как в прямой, так и обратной зоне синусоиды, напоминая стабилитрон.

Кроме ВАХ, при исследовании варистора отмечаются следующие характеристики:

• Um — наибольшее допустимое рабочее напряжение для тока переменной или постоянной величины.
• P — мощность, которую может рассеять на себе элемент без ухудшения своих параметров.
• W — допустимая энергия в джоулях, которую может поглотить радиоэлемент при воздействии одиночного импульса.
• Ipp — наибольшее значение импульсного тока, для которого определена форма импульса.
• Co — ёмкость, значение которой измеряется у варистора в нормальном состоянии.

Виды устройств

Разнообразие встречаемых видов варисторов обусловлено тем, что производители стремятся в первую очередь повысить их быстродействие. Поэтому и используются SMD технологии безвыводного монтажа, что позволяет добиваться малого времени срабатывания при скачке входного напряжения. Типовое время срабатывания элементов с выводами находится в пределе 15−25 наносекунд, а SMD — 0,5 наносекунд.

Существует класс низковольтных варисторов и высоковольтных. Первые выпускаются с рабочим напряжением до двухсот вольт и силой тока до одного ампера. Вторые же имеют рабочее напряжение до двадцати киловольт. Маломощные элементы используются в качестве защиты от скачка напряжения, возникающего в бытовой сети, а мощные применяются на трансформаторных подстанциях и в системах защиты от грозы.

Маркировка элементов

Независимо от производителя существует стандарт маркировки варисторов. На сам элемент принято наносить цифробуквенный код, в котором зашифровываются основные параметры. Например, для дискового типа это обозначение выглядит как S6K210, где:

• S — материал, из которого изготовлен варистор;
• 6 — диаметр корпуса элемента, указывается в миллиметрах;
• K — величина допуска отклонения;
• 210 — значение рабочего напряжения, выраженное в вольтах.

На схемах радиоэлемент графически обозначается как перечёркнутый прямоугольник. На перечёркивающей палочке делается полочка, над которой ставится буква U. Подписывается на схемах элемент латинскими буквами RU.

Виды, маркировка и обозначение на схеме

Чаще всего встречаются варисторы в виде дисков (похожих на конденсаторы). Но существуют приборы, внешне выглядящие подобно обычному резистору – таков, например, отечественный элемент СН1-1.

Единых требований к маркировке элементов нет, но определенным стандартом стал следующий вид:

AAAZZXXY, где:

• AAA – три литеры, определяющие код продукта;
• ZZ – диаметр диска в мм (или размеры для другого исполнения).
• XX– мантисса классификационного напряжения;
• Y – десятичный множитель классификационного напряжения (в большинстве случаев 0 или 1, что означает, что ZZ надо умножить на 1 или на 10.

Например, для элемента TVR 10471 по расшифровке можно определить, что:

• прибор относится к серии TVR – Thinking Varistor Resistance;
• он представляет собой диск диаметром 10 мм;
• приложенное напряжение в 47х10=470 вольт вызывает ток в 1 мА.

Некоторые производители укорачивают обозначение, не включая в него код продукта (например, 14N431K) или добавляют другие индексы, обозначающие серию элемента (литеры D и K у прибора 14D471K). Можно увидеть и упрощенный вариант маркировки варисторов. Так, элемент JVR10N431 может быть обозначен, как S10K275 или просто K275. Литера K означает класс точности (10%), а 275 – действующее напряжение срабатывания. Для практических целей такой вариант удобнее.

На схеме этот электронный компонент обозначается прямоугольным символом, аналогичным условно-графическому обозначению резистора, но с диагональной чертой, обозначающей непостоянство номинала (подобно терморезисторам и т.п.). Такое УГО обязательно содержит букву U – знак того, что сопротивление элемента зависит от приложенного напряжения. Это нужно, чтобы отличить варистор от других типов резисторов, чье сопротивление задает внешнее воздействие.

Два варианта условно-графического обозначения варистора.

Существует и другой вариант УГО, к символу сопротивления добавлено стилизованное изображение ВАХ защитного элемента. Это обозначение относится только к варисторам, поэтому литера U здесь не употребляется.

На схеме (и на плате) варисторы имеют индекс RU или RV (если их несколько, то RV1, RV2 и т.д.). В зарубежных изданиях встречаются обозначения на схеме с индексами MOV, ZNR и т.п.

Маркировка MOV на плате ИБП.

Принцип работы защиты варистором и схемы его включения

Фрагмент схемы входных цепей БП.

В большинстве случаев в схемах защиты варистор включается параллельно нагрузке – входным цепям блока питания, диодному мосту и т.п. Характерный пример – компьютерный блок питания. В нем варистор устанавливается до входного фильтра. При повышении напряжения выше точки срабатывания, элемент открывается и «срезает» излишний уровень.

Хорошим схемотехническим решением является включение защитного элемента после предохранителя. При опасных бросках напряжения потребляемый ток может не вырасти до уровня перегорания предохранителя. Если после плавкой вставки установить варистор, то после его срабатывания ток резко возрастет. Это способствует скорейшему сгоранию предохранителя, что служит дополнительной защитой блока питания.

Варианты схем защиты (Взято с www.joyta.ru).

Существуют и другие схемы включения защитного элемента. Кроме наиболее распространенного варианта А, защиту можно включить по схеме Б – в этом случае дополнительные элементы защитят схему при возникновении перенапряжений по отношению к земле. Также используется включение:

• по схеме В – для защиты транзистора от выбросов при коммутации индуктивной нагрузки;
• по схеме Г – для защиты контактов реле в схеме управления двигателем или другой индуктивной нагрузкой, где возможны опасные выбросы напряжения.

Существуют и другие варианты использования варистора, но они менее распространены.

Характеристики варисторов

Основными параметрами, которые используют при описании характеристик варисторов, являются:

• Un — классификационное напряжение, обычно измеряемое при токе 1 мА, — это условный параметр, который указывается при маркировке элементов;
• Um – максимально допустимое действующее переменное напряжение (среднеквадратичное);
• Um= — максимально допустимое постоянное напряжение;
• Р — номинальная средняя рассеиваемая мощность, это та, которую варистор может рассеивать в течение всего срока службы при сохранении параметров в установленных пределах;
• W — максимальная допустимая поглощаемая энергия в джоулях (Дж), при воздействии одиночного импульса.
• Ipp — максимальный импульсный ток, для которого время нарастания/длительность импульса: 8/20 мкс;
• Со — емкость, измеренная в закрытом состоянии, при работе ее значение зависит от приложенного напряжения, и когда вари-стор пропускает через себя большой ток, она падает до нуля.

От величины W зависит, как долго может действовать перегрузка (с максимальной мощностью Рт) без опасности повредить варистор, т. е.:

Для применения рабочее напряжение у варисторов выбирается исходя из допустимой энергии рассеяния и максимально допустимой амплитуды напряжения. Напряжение ограничения примерно равно квалификационному напряжению (Un) варистора.

Для ориентировочных расчетов рекомендуется, чтобы на переменном напряжении оно не превышало Uвх PCBWay – всего $5 за 10 печатных плат, первый заказ для новых клиентов БЕСПЛАТЕН

Сборка печатных плат от $88 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет
Онлайн просмотрщик Gerber-файлов от PCBWay!

От перепадов напряжения не застрахована ни одна электросеть, есть множество причин вызывающих это явление, начиная от перегрузки и заканчивая перекосом фаз. Такие броски способны вывести из строя бытовую технику, поэтому практически все современные электронные устройства имеют защиту. Если после очередного перепада в БП какого-нибудь прибора сгорел предохранитель, произведя его замену, не спешите включать технику. На всякий случай проверьте варистор на исправность тестером или мультиметром.

Прежде, чем перейти к тестированию, рекомендуем ознакомиться с кратким описанием варистора, особенностями его работы и характеристиками. Эта информация может быть полезной при поиске аналога, взамен вышедшего из строя элемента.

Характеристики

Варистор представляет собой полупроводниковый резистор с нелинейной вольт-амперной характеристикой, ее график показан на рисунке 2.

Рис. 2. Типичные вольт-амперные характеристики: А – варистора, В – обычного резистора

Как видно из графика, когда напряжение на полупроводнике достигает порогового значения, резко увеличивается сила тока, что вызвано понижением сопротивления. Эта характеристика позволяет использовать варистор в качестве защиты от кратковременных скачков напряжения.

Маркировка и основные параметры

Маркировка варисторов отличается, поскольку каждый производитель этих радиокомпонентов имеет право устанавливать ее самостоятельно. Это, прежде всего, связано с его техническими характеристиками. Например, различия по напряжениям и необходимым уровням тока для его работы.

Вам это будет интересно Характеристика и схема подключения электросчётчика СО-505

Среди отечественных наиболее распространенным является К275, а среди импортных — 7n471k, 14d471k, kl472m и ac472m. Наибольшей популярностью пользуется варистор, маркировка которого — CNR (бывают еще hel, vdr, jvr). Кроме того, к ней прикрепляется цифробуквенный индекс 14d471k, и расшифровывается этот вид обозначения следующим образом:

1. CNR — металлооксидный тип.
2. 14 — диаметр прибора, равный 14 мм.
3. D — радиокомпонент в форме диска.
4. 471 — максимальное значение напряжения, на которое он рассчитан.
5. К — допустимое отклонения классификационного напряжения, равное 10%.

Их основные характеристики:

1. Напряжение классификации — значение разности потенциалов, взятое с учетом того, что сила тока, равная 1 мА, протекает через варистор.
2. Максимальная величина переменного напряжения — является среднеквадратичным значением, при котором он открывается и, следовательно, величина его сопротивления понижается.
3. Значение постоянного максимального напряжения, при котором варистор открывается в цепи постоянного тока. Как правило, оно больше предыдущего параметра для тока переменной амплитуды.
4. Допустимое напряжение (напряжение ограничения) является величиной, при превышении которой происходит выход элемента из строя. Указывается для определенной величины силы тока.
5. Поглощаемая максимальная энергия измеряется в Дж (джоулях). Эта характеристика показывает величину энергии импульса, которую может рассеять варистор и при этом не выйти из строя.
6. Время реагирования (единица измерения — наносекунды, нс) — величина, требуемая для перехода из одного состояния в другое, т. е. изменение величины сопротивления с высокой величины на низкую.
7. Погрешность напряжения классификации — отклонение от номинального его значения в обе стороны, которое указывается в % (для импортных моделей: К = 10%, L = 15%, M = 20% и Р = 25%).

Варистор — это… Что такое Варистор?

Обозначение на схеме

Вари́стор (англ. vari(able) (resi)stor — переменный резистор) — полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление (проводимость) которого нелинейно зависит от приложенного напряжения, то есть обладающий нелинейной симметричной вольт-амперной характеристикой и имеющий два вывода. Благодаря отсутствию сопровождающих токов при скачкообразном изменении приложенного напряжения, варисторы являются основным элементом для производства устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). В русскоязычной литературе часто применяется термин разрядник для обозначения варистора или устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) на основе варистора.

Изготовление

Изготавливают варисторы спеканием при температуре около 1700 °C полупроводника — преимущественно порошкообразного карбида кремния SiC или оксида цинка ZnO, и связующего вещества (глина, жидкое стекло, лаки, смолы и др.).

Конструктивно варисторы выполняются обычно в виде дисков, таблеток, стержней; существуют бусинковые и плёночные варисторы. Широкое распространение получили стержневые подстроечные варисторы с подвижным контактом.

Свойства

Нелинейность характеристик варисторов обусловлена локальным нагревом соприкасающихся граней многочисленных кристаллов карбида кремния (или иного полупроводника). При локальном повышении температуры на границах кристаллов сопротивление последних существенно снижается, что приводит к уменьшению общего сопротивления варисторов.

Один из основных параметров варистора — коэффициент нелинейности λ — определяется отношением его статического сопротивления R к динамическому сопротивлению Rd:

где U и I — напряжение и ток варистора.

Коэффициент нелинейности лежит в пределах 2-10 у варисторов на основе SiC и 20-100 у варисторов на основе ZnO.

Температурный коэффициент сопротивления варистора — отрицательная величина.

Применение

Низковольтные варисторы изготавливают на рабочее напряжение от 3 до 200 В и ток от 0,1 мА до 1 А; высоковольтные варисторы — на рабочее напряжение до 20 кВ.

Варисторы применяются для стабилизации и регулирования низкочастотных токов и напряжений, в аналоговых вычислителях — для возведения в степень, извлечения корней и других математических действий, в цепях защиты от перенапряжений (например, высоковольтные линии электропередачи, линии связи, электрические приборы) и др.

Высоковольтные варисторы применяются для изготовления ограничителей перенапряжения.

Как электронные компоненты, варисторы дёшевы и надёжны, способны выдерживать значительные электрические перегрузки, могут работать на высокой частоте (до 500 кГц). Среди недостатков — значительный низкочастотный шум и старение — изменение параметров со временем и при колебаниях температуры.

Параметры

• Вольт-амперная характеристика
• Классификационное напряжение, В — напряжение при определённом токе (обычно изготовители указывают при 1 мА), практической ценности не представляет.
• Рабочее напряжение (Operating voltage) В (для пост. тока Vdc и Vrms — для переменного) — диапазон — от нескольких В до нескольких десятков кВ; данное напряжение должно быть превышено только при перенапряжениях.
• Рабочий ток (Operating Current), А — диапазон — от 0,1 мА до 1 А
• Максимальный импульсный ток (Peak Surge Current), А
• Поглощаемая энергия (Absorption energy), Дж
• Коэффициент нелинейности
• Температурные коэффициенты (статич. сопротивления, напряжения, тока) — для всех типов варисторов не превышает 0,1 % на градус

Литература

• В. Г. Герасимов, О. М. Князьков, А. Е. Краснопольский, В. В. Сухоруков (Под ред. В. Г. Герасимова). Основы промышленной электроники: Учебник для вузов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1978.
• В. Г. Колесников (главный редактор). Электроника: Энциклопедический словарь. — 1-е изд. — М.: Сов. энциклопедия, 1991. — С. 54. — ISBN 5-85270-062-2

Применение приборов

Варисторы применяются для защиты электронных устройств от скачкообразного напряжения, амплитуда которого превышает номинальное значение питания. Благодаря применению в блоках питания полупроводникового резистора, появляется возможность избежать множества поломок, которые могут вывести электронику из строя. Широкое применение варистор получил и в схеме балласта, который применяется в элементах освещения.

В некоторых стабилизаторах величин напряжения и тока также используются специализированные полупроводниковые резисторы, а варисторы-разрядники с напряжением более 20 кВ применяются для стабилизации питания в линиях электропередач. Его можно подключить также и в схему проводки (схема 1), защитив ее от перегрузок и недопустимых амплитудных значений тока и напряжения. При перегрузке проводки происходит ее нагрев, который может привести к пожару.

Вам это будет интересно Математическая запись закона Джоуля-Ленца и его применение

Схема 1 — Подключение варистора для сети 220В.

Низковольтные варисторы работают в диапазоне напряжения от 3 В до 200 В с силой тока от 0,1 до 1 А. Они применяются в различной аппаратуре и ставятся преимущественно на входе или выходе источника питания. Время их срабатывания составляет менее 25 нс, однако этой величины для некоторых приборов недостаточно и в этом случае применяются дополнительные схемы защиты.

Однако технология их изготовления не стоит на месте, поскольку создала радиоэлемент с временем срабатывания менее 0,5 нс. Этот полупроводниковый резистор изготовлен по smd-технологии. Конструкции дискового исполнения обладают более высоким временем срабатывания. Многослойные варисторы (CN) являются надежной защитой от статического электричества, которое может вывести из строя различную электронику. Примером использования является производство мобильных телефонов, которые подвержены воздействию статических разрядов. Этот тип варисторов также получили широкое применение в области компьютерной технике, а также в высокочувствительной аппаратуре.

Характеристики варистора

Тело варистора представляет собой изотропную гранулярную структуру оксида цинка ZnO (рисунок 1). Гранулы отделены друг от друга, и их граница разделения имеет ВАХ, схожую с p-n-переходом в полупроводниках. Эти границы при низких напряжениях имеют очень низкую проводимость, которая нелинейно увеличивается с увеличением напряжения на варисторе.

Рис. 1. Фотография гранулярной структуры варистора, сделанная с помощью электронного микроскопа

Симметричная ВАХ показана на рисунке 2. Благодаря ей варистор отлично справляется с подавлением скачков напряжения. Когда они появляются в цепи, сопротивление варистора уменьшается во множество раз: от почти непроводящего состояния до высокопроводящего, уменьшая импульс напряжения до безопасного для цепи значения. Таким образом, потенциально опасная для элементов цепи энергия входного импульса напряжения абсорбируется варистором и защищает компоненты, чувствительные к скачкам напряжения.

Рис. 2. Симметричная ВАХ варистора

Рассмотрим подробнее принцип работы варистора.

В его корпусе между металлическими контактами находятся гранулы со средним размером d (рисунок 3).

Рис. 3. Схематическое изображение микроструктуры металл-оксидного варистора

Токопроводящие гранулы оксида цинка со средним размером гранулы d разделены между собой межгранулярными границами.

, (1)

где d – средний размер гранулы.

,

получаем данные, представленные в таблице 1.

Таблица 1. Зависимость структурных параметров варистора от напряжения

Напряжение варистора Vn – это напряжение на вольт-амперной характеристике, где происходит переход из слабопроводящего состояния на линейном участке графика в нелинейный режим высокопроводящего состояния. По общей договоренности для стандартизации измерений был выбран ток 1 мА.

Рис. 4. Результат увеличения напряжения в сети на продолжительное время

Проведем сравнительный анализ наиболее популярных варисторов производства компаний Littelfuse, Epcos и Fenghua с рабочим напряжением 250 и 275 В (АС rms) и диаметром диска 10, 14 и 20 мм.

Таблица 2. Сравнительный анализ наиболее популярных варисторов производства компаний Littelfuse, Epcos и Fenghua

Обзор варисторов производства компании Littelfuse c разбивкой на серии и области применения представлен в таблице 3.

Таблица 3. Области применения варисторов Littelfuse

Применение варистора играет важную роль в системе защиты чувствительных электронных схем от скачков напряжения и высоковольтных переходных процессов. Принцип работы этих элементов основан на изменении сопротивления полупроводниковой структуры под воздействием высокого напряжения.

Серия VDR имеет стандартное значение времени срабатывания варисторов при воздействии перенапряжения, которое составляет не более 25 нc. Диапазон напряжения срабатывания от 12 В до 1800 В. Диапазон рабочей температуры -40°С

Область применения варисторов:

• промышленное оборудование;
• источники питания;
• фотоэлектрические приборы;
• бытовая электроника;
• телекоммуникации;
• инверторы.