Варистор что это такое и для чего он нужен

Вари́стор (англ. vari(able) — переменный (resi)stor — резистор) — полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление (проводимость) которого нелинейно зависит от приложенного напряжения, то есть обладающий нелинейной симметричной вольт-амперной характеристикой и имеющий два вывода. Обладает свойством резко уменьшать своё сопротивление с миллиардов до десятков Ом при увеличении приложенного к нему напряжения выше пороговой величины. При дальнейшем увеличении напряжения сопротивление уменьшается ещё сильнее. Благодаря отсутствию сопровождающих токов при скачкообразном изменении приложенного напряжения варисторы являются основным элементом для производства устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). [1]

  • 1 Изготовление
  • 2 Свойства
  • 3 Применение
  • 4 Материалы варисторов
  • 5 Параметры
  • 6 Примечания

Изготовление [ ]

Изготавливают варисторы спеканием при температуре около 1700 °C полупроводника, преимущественно порошкообразного карбида кремния (SiC) или оксида цинка (ZnO), и связующего вещества (например, глины, жидкого стекла, лака, смолы). Далее две поверхности полученного элемента металлизируют (обычно электроды имеют форму дисков) и припаивают к ним металлические проволочные выводы.

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

Конструкция и принцип действия варистора

Рис. 1. Конструкция варистора

Конструкция варистора схематично показана на рис. 1 . Размер гранул варьируется в пределах 20–100 мкм. На рис. 2 показан микрофотографический снимок полированного и вытравленного участка варистора. Свойства границ между гранулами отчасти схожи с полупроводниковым p-n-переходом, поэтому в первом приближении варистор можно рассматривать как массив последовательно и параллельно включенных диодов.

Рис. 2. Микрофотографический снимок полированного и вытравленного участков варистора

К фундаментальным свойствам варисторов следует отнести практически постоянное падение напряжения на границах гранул, оно составляет 2–3 В и не зависит от размера гранул. Таким образом, максимальное напряжение варисторов определяется размером и количеством зерен. Для высоких напряжений производят многослойные варисторы, их конструкция во многом схожа с многослойными керамическими конденсаторами. Если напряжение, приложенное к варистору, превышает максимальное напряжение варистора, это приводит к его пробою.

Как работает ВАРИСТОР | Простыми словами с примерами

Рис. 3. Вольт-амперная характеристики варистора

Поликристаллическая структура металл-оксидных варисторов сложна для анализа. До сих пор продолжаются экспериментальные и теоретические исследования, посвященные уточнению физических процессов, протекающих на границах гранул. Но для инженера-схемотехника вполне достаточно данных, приводимых в документации изготовителя и вольт-амперной характеристики варистора — она показана на рис. 3 . На рисунке используются следующие обозначения:

  • VRM – максимальное рабочее напряжение при нормированном производителем токе утечки;
  • IRM – нормированный производителем ток утечки;
  • IPP – максимальный импульсный ток для волны перенапряжения с заданными параметрами;
  • VBR – напряжение начала пробоя, при котором ток утечки достигает 1 мА;
  • VCL – напряжение ограничения.

Помимо указанных параметров, важными являются максимальная рассеиваемая мощность Р РР и паразитная емкость варистора CV, которая измеряется при частоте 1 МГц и приложенном напряжении 30 мВ. Следует сказать, что варисторы характеризуются хорошей температурной стабильностью, неизменное значение максимальной рассеиваемой мощности сохраняется вплоть до температуры окружающей среды +125 °С. Быстродействие варистора, время его срабатывания лежит в диапазоне 0,3–0,7 нс.

Рис. 4. Эквивалентная схема варистора

Эквивалентная схема варистора представлена на рис. 4 . На этой схеме резистор RX отражает нелинейное сопротивление варистора: в зависимости от состояния варистора его величина может лежать в пределах 0– ∞ , при малых токах этим резистором можно пренебречь. Резисторы ROFF отражает сопротивление варистора при малых токах, его величина достигает 1 ГОм. Резистор RON отражает сопротивление варистора при максимальном токе, его величина обратно пропорциональна максимальной мощности Р РР .

Рис. 5. Реакция варистора на импульс с высокой скоростью нарастания

Быстродействие варистора частично иллюстрирует рис. 5 . На нем можно видеть, что реакция варистора на импульс со скоростью нарастания примерно 700 В/нс не превышает 0,5 нс. Колебания напряжения ограничения варистора формируются из-за паразитных емкостей и индуктивностей варистора и проводов. При столь высокой скорости нарастания тестового импульса напряжения даже незначительные паразитные емкости и индуктивности проводов будут влиять на напряжения ограничения, поэтому выделить действие «чистого» варистора без соединительных проводов не удается.

Тестирование компонентов защиты

Рис. 6. Испытательный импульс тока

Тестирование компонентов защиты, в том числе варисторов, в зависимости от отрасли нормируется целым рядом стандартов. Однако во всех из них используются одинаковые тестовые импульсы напряжения и тока. На рис. 6 показана форма испытательного импульса тока, используемого для проверки на устойчивость к внешним электростатическим разрядам. Длительность фронта нарастания тока должна составлять 0,8 нс, а пиковое значение тока варьируется в зависимости от испытываемого компонента и области его применения.

Рис. 7. Испытательный импульс напряжения

На рис. 7 показан испытательный импульс напряжения. Мощность импульса вычисляется на закрашенном участке, а сам импульс описывается соотношением t1/t2, например 8/20 мкс, 5/50 нс, 10/100 нс. Возможны и другие формы импульса. Мощность и вид импульса зависят от типа испытываемого компонента и области его применения. Типовая испытательная установка показана на рис. 8 .

Рис. 8. Типовая испытательная установка

Выше было отмечено, что реакция варистора на импульс напряжения с быстрым фронтом нарастания лишь частично описывает быстродействие варистора. Поэтому более показательна реакция варистора на величину максимального тока испытательного импульса: эта реакция изображена на рис. 9 . Как видно из рисунка, чем больше амплитуда тока и чем быстрее фронт его нарастания, тем выше напряжение ограничения варистора. В этом результате нет ничего удивительного: быстродействие варистора, как и любого другого элемента электрической цепи, ограничено, поэтому его реакция на внешнее воздействие запаздывает.

Рис. 9. Реакция варистора на величину максимального тока испытательного импульса

Основные параметры варисторов

При выборе этих полупроводниковых элементов учитывают следующие параметры:

  • максимально допустимое напряжение – действующее или среднеквадратичное, при котором варистор начинает изменять сопротивление;
  • максимальное значение энергии поглощения – характеризует величину энергии, которую элемент может рассеивать без потери рабочих свойств;
  • максимальная величина импульсного тока;
  • емкость варистора – значение, измеряемое в закрытом состоянии, при приложении большого тока эта величина стремится к нулю;
  • время срабатывания – важная характеристика, обозначающая временной промежуток, за который варистор переходит из нерабочего состояния в открытое.

Преимущества и недостатки варисторов

Плюсы использования этих полупроводниковых элементов:

  • относительно невысокая стоимость;
  • простота эксплуатации, длительный рабочий период;
  • стабильность и надежность при токах высокой частоты и значительных нагрузках;
  • высокая скорость срабатывания.
  • низкочастотные шумы при работе;
  • старение – процесс, при котором элемент постепенно утрачивает рабочие характеристики;
  • при длительном воздействии напряжений критической величины – рассеивание мощности прекращается, а сам полупроводниковый элемент перегревается и выходит из строя.

Маркировка варисторов

Маркировка варисторов.

Обычно на корпусе варистора написана очень длинна маркировка, сейчас на примере 20D471K расшифруем маркировку и узнаем его характеристики.

  1. 20D – это диаметр варистора, в данном случае 20мм. Чем больше диаметр – тем больше энергии может рассеять варистор. По данному параметру можно косвенно судить о максимальной энергии, которую он может поглотить. Чем больше – тем лучше.
  2. 47 – Классификационное напряжение варистора, 470 вольт.
  3. 1K – допустимое отклонение квалификационного напряжения варистора, как было указано выше, K – это ±10%.

Обычно у производителей маркировки отличаются друг от друга, но незначительно. Примеры маркировки этого варистора, но от разных производителей: Epcos – S20K300, Fenghua – FNR-20K471, TVR -TVR20D471, CNR – CNR20D471, JVR – JVR-20N471K.

Как видим, у фирмы Epcos маркировка показывает на число 300, это уже не классификационное напряжение, а максимально допустимое переменное напряжение. В любом случае не рекомендуется гадать самому с маркировкой, если есть возможность, то лучше воспользоваться поисковиками либо справочником и получить всю подробнейшую информацию о нужном вам варисторе.

Функция варисторов

Способностью защищать схемы от перенапряжений варисторы обязаны нелинейному характеру их вольт-амперных характеристик. На практике это означает, что в области малых напряжений сопротивление этих компонентов поддерживается на уровне до килоом, а следовательно ток, протекающий через них, составляет порядка микроампер.

При более высоком напряжении ток начинает быстро повышаться. Если напряжение продолжает расти, варистор насыщается и его сопротивление становится на уровне нескольких Ом. Благодаря этому после превышения порогового напряжения подавляются перенапряжения, проводя ток очень большой силы, в то время как при нормальной работе защищаемой цепи они остаются фактически отключенными.

На рисунке показаны структура и условное обозначение варисторов. Это элементы изготовленные из зерен оксида цинка (ZnO) с добавлением других материалов, обычно оксидов висмута, кобальта или магния.

Как делают варисторы

Производство варисторов представляет собой многоэтапный процесс.

  1. Первым этапом будет предварительная подготовка материалов – зерен ZnO и других оксидов металлов (точный состав в силу его решающего значения для свойств конечного продукта обычно остается секретом производителя). На этом этапе они подлежат контролю качества. Затем их измельчают и смешивают между собой. Для получения однородной смеси требуется даже несколько часов.
  2. Следующий этап грануляция – для объединения измельченных материалов в более крупные структуры в них добавляют связующее. Далее их глажение. Для этого гранулированный порошок помещают в штампы, где под давлением пресса формуют в диски.
  3. Следующим этапом является обработка этих дисков. Его первая фаза заключается в испарении связующего. Затем их обжигают при строго контролируемой температуре, обычно превышающей +1000 °С, в течение определенного периода времени, пока они не приобретут требуемые им электрические свойства. Параметры процесса обжига, как и состав обжигаемой смеси, обычно изготовитель держит в секрете.
  4. Металлизация, лакировка, маркировка. Здесь стоит пояснить, что требуемые электрические свойства варисторов достигаются за счет образования стыков на границе между зернами ZnO. Другие материалы, входящие в состав прессованной и обожженной смеси, не только являются наполнителями между зернами ZnO, но и влияют на их рост при обжиге дисков.
  5. Затем диски варисторов металлизируются с обеих сторон. Электрические контакты обычно изготавливаются трафаретной печатью из пасты на основе серебра. В каждой партии периодически проводятся визуальные осмотры и проверяется паяемость контактов. Затем к металлизации припаиваются выводы — в рамках контроля качества выборочно проверяется их прочность.
  6. На следующем этапе варисторы покрывают погружением в бак эпоксидного лака – обычно наносится несколько слоев.
  7. Наконец, проводится окончательная проверка качества электрических параметров. Проходящие через него варисторы маркируются, например, лазером.

Полезное на сайте:
ДРАГМЕТАЛЛЫ В АВТОМОБИЛЯХ

Характеристики и габаритные размеры

Одной из важнейших характеристик, указываемых не только в технической документации, но и входящей в обозначение и наносимой на корпус элемента, является классификационное напряжение. Распространено мнение, что эта величина является условной, и не несет практического характера. Это не так.

Что такое варистор - описание и принцип работы

Характеристика варистора в зоне защиты (зоне стабилизации) имеет наклон, и ток через него зависит от приложенного напряжения – чем больше напряжение. При определенном напряжении (которое называют напряжением открывания при постоянном токе) варистор начинает открываться, но происходит это постепенно. По мере открывания ток растет. Считается, что когда он достигнет уровня 1 мА, прибор полностью открылся, вышел на линейный участок характеристики и начал выполнять свою защитную функцию.

Так как варисторы часто применяются в цепях переменного тока, то напряжение открывания выражают в виде действующего (среднеквадратичного) значения напряжения – оно чаще применяется в качестве характеристики переменного напряжения. Этот параметр меньше напряжения открывания при постоянном токе примерно в 1,4 раза.

Читайте так же: Почему вздувается аккумулятор в телефоне

Также важными характеристиками являются максимальная мощность P (в ваттах) и поглощаемая энергия W (в джоулях). Первый параметр интуитивно понятен – это мощность, которую прибор способен рассеивать в открытом состоянии. А поглощаемая энергия характеризует время, в течение которого элемент может выдержать максимальную мощность. Этот период вычисляется, как t=W/P. Величина поглощаемой энергии определяется размером прибора, поэтому при наличии опыта можно достаточно точно определить эту характеристику на глаз (например, по диаметру для компонентов в дисковом исполнении)

Максимальное рабочее напряжение – граница, выше которой элемент выходит из строя. Параметры распространенных варисторов приведены в таблице.

классификационное, В Uсраб, среднеквадрат.,

В Поглощаемая энергия, Дж / наибольшая мощность, Вт. габариты, мм х мм/

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.

Что такое варистор - описание и принцип работы

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.

Что такое варистор - описание и принцип работы

Принцип работы защиты варистором и схемы его включения

Что такое варистор - описание и принцип работы

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.

Что такое варистор - описание и принцип работы

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.

Как работает варистор?

На схеме варистор обозначается значком резистора, перечеркнутого по диагонали, что указывает на его нелинейность.

Когда нелинейный резистор функционирует в обычном режиме, его сопротивление велико. Однако оно сильно снижается при возрастании напряжения выше номинальной величины, что приводит к значительному повышению тока. Таким образом, разность потенциалов удерживается на уровне, несколько превышающем номинал. Варистор, работающий в этом режиме, выполняет функцию стабилизации напряжения. Нелинейный резистор, будучи подключенным на входе электроцепи, добавляет к ее емкости собственную. Для устойчивой работы защищаемых приборов это необходимо учесть при проектировании линии. На рисунке представлена стандартная схема подключения варистора.

Для правильного подбора защитного элемента важно знать мощность импульсов, имеющих место при переходных процессах, а также величину выходного сопротивления источника. От максимальной силы тока, которую нелинейный резистор способен пропустить через себя, зависит частота повторений выбросов напряжения, а также их длительность. Если она слишком мала для конкретной цепи, защитный элемент быстро придет в негодность из-за перегрева. Поэтому, чтобы варистор работал безотказно в течение длительного времени, он должен обеспечивать эффективное рассеивание импульсной энергии при переходном процессе. Затем деталь должна быстро возвращаться в исходное состояние.

Преимущества и недостатки варисторов

  • возможность работы под значительными нагрузками, а также на высокой частоте;
  • большой спектр применения;
  • простота использования;
  • надежность;
  • доступная стоимость.

Недостатком элемента является низкочастотный шум, создаваемый им при работе. Кроме того, его вольт-амперная характеристика в высокой степени зависит от температуры.

Подбор варистора

Чтобы правильно подобрать варистор для определенного устройства необходимо знать характеристики его источника питания: сопротивление и мощность импульсов переходных процессов. Максимально допустимое значение тока определяется в том числе длительностью его воздействия и количеством повторений, поэтому при установке варистора с заниженным значением пикового тока, он достаточно быстро выйдет из строя. Если говорить кратко, то для эффективной защиты прибора необходимо выбирать варистор с напряжением, имеющим небольшой запас к номинальному.

Также для безотказной работы такого электронного компонента очень важна скорость рассеивания поглощенной тепловой энергии и возможность быстро возвращаться в состояние нормальной работы.

Обозначение на схеме и варианты подключения варистора

На схемах варистор обычно обозначается, как обычный резистор, но с добавлением буквы U рядом с наклонной чертой. Эта черта и указывает в схемах на то, что данный элемент имеет зависимость сопротивления от напряжения в цепи. Также на электрической схеме этот элемент маркируется двумя буквами R и U с добавлением порядкового номера (RU1, RU2 … и т.д.).

Что такое варистор, основные технические параметры, для чего используется

Существует большое количество вариантов подключения варисторов, но общее для всех способов – это то, что данный компонент подключается параллельно цепи питания. Поэтому при отсутствии опасных значений импульсов напряжения, ток, который протекает через варистор имеет малую величину (ввиду больших значений сопротивления) и никак не влияет на работоспособность системы. При возникновении перенапряжения, варистор изменяет сопротивление до малых величин, нагрузка шунтируется, и поглощенная энергия рассеивается в окружающее пространство.

Похожие статьи:

Что такое резистор и для чего он нужен?

УЗИП — что это такое, описание и схемы подключения в частном доме

Как правильно рассчитать резистор для светодиода?

Что такое реле напряжения и для чего оно нужно в квартире

Принцип работы и схема подключения теплового реле

Защита от перенапряжения: что лучше стабилизатор или реле контроля напряжения?

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий