Что такое варистор и для чего он нужен

Варисторы — принцип работы, типы и применение

Что такое варистор и для чего он применяется, рассмотрен принцип действия варистров, их вольт-амперная характеристика, приведены основные параметры варисторов отечественного производства, а также параметры для дисковых варисторов серии TVR. Как выглядит из себя варистор который применяется в бытовой радиоаппаратуре, а также внешний вид мощных варистров.

Принцип работы варистора

Варисторы, Varistors (название образовано от двух слов Variable Resistors — изменяющиеся сопротивления) — это полупроводниковые (металлооксидные или оксидноцинковые) резисторы, обладающие свойством резко уменьшать свое сопротивление с 1000 МОм до десятков Ом при увеличении на них напряжения выше пороговой величины.

В этом случае сопротивление становится тем меньше, чем больше действует напряжение. Типичная вольт-амперная характеристика варистора имеет резко выраженную нелинейную симметричную форму (рисунок 1), то есть он может работать и на переменном напряжении.

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика варистора.

Варисторы подсоединяют параллельно нагрузке, и при броске входного напряжения основной ток помехи протекает через них, а не через аппаратуру.

Таким образом, варисторы рассеивают энергию помехи в виде тепла. Так же, как и газоразрядник, варистор является элементом многократного действия, но значительно быстрее восстанавливает свое высокое сопротивление после снятия напряжения.

Достоинством варисторов, по сравнению с газоразрядниками, являются:

• большее быстродействие;
• безынерционное отслеживание перепадов напряжений;
• выпускаются на более широкий диапазон рабочих напряжений (от 12 до 1800 В); о длительный срок эксплуатации;
• имеют более низкую стоимость.

Варисторы широко применяются в промышленном оборудовании и приборах бытового назначения:

• для защиты полупроводниковых приборов: тиристоров, симисторов, транзисторов, диодов, стабилитронов;
• для электростатической защиты входов радиоаппаратуры;
• для защиты от электромагнитных всплесков в мощных индуктивных элементах;
• как элемент искрогашения в электромоторах и переключателях.

Виды варисторов

Типовое значение времени срабатывания варисторов при воздействии перенапряжения составляет не более 25 наносекунд (нс), но для защиты некоторых видов оборудования его может оказаться недостаточно (для электростатической защиты необходимо не более 1 нс).

Поэтому совершенствование технологии изготовления варисторов во всем мире направлено на повышение их быстродействия.

Так, например, фирме “S+M Epcos”, благодаря применению при изготовлении варисторов многослойной структуры SIOV-CN и их SMD-исполнения (безвыводная конструкция для поверхностного монтажа), удается добиться времени срабатывания менее 0,5 нс (при расположении таких элементов на печатной плате для получения указанного быстродействия уже необходимо минимизировать индуктивности внешних соединительных проводников).

В дисковой конструкции варисторов за счет индуктивности выводов время срабатывания увеличивается до нескольких наносекунд.

Малое время срабатывания, высокая надежность, отличные пиковые электрические характеристики в широком диапазоне рабочей температуры при малых размерах ставят многослойные варисторы на первое место при выборе элементов защиты от статических зарядов.

Рис. 2. Внешний вид варисторов.

Рис. 3. Внешний вид мощных варисторов.

Например, в области производства сотовых телефонов многослойные варисторы можно считать уже стандартом в защите от статического электричества.

CN-варисторы могут надежно защищать от статических разрядов: клавиатуры, разъемы для подключения факса и модема, соединители зарядных устройств, входы интегральных аналоговых микросхем, выводы микропроцессоров.

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

Для сети с действующим напряжением 220 В (50 Гц) обычно устанавливают варисторы с классификационным напряжением не ниже 380. 430 В. Для варистора с классификационным напряжением 430 В при импульсе тока 100 А напряжение будет ограничено на уровне около 600 В.

В России крупнейшим производителем варисторов (СН2-1, BP-1, СН2-2) является завод «Прогресс» (г. Ухта). Параметры некоторых из таких варисторов приведены в табл. 1.

Таблица 1. Основные параметры варисторов отечественного производства.

Тип варистора

Un,В

Um~,В

Um=,В

W,Дж

Примечание. Емкость для отечественных варисторов не указывается.

Из всего разнообразия выпускаемых за рубежом варисторов параметры одного из типов, имеющих дисковую конструкцию, приведены в таблице 2 (другие типы имеют близкие параметры).

Они выпускаются на рабочие напряжения от 4 до 1500 В с небольшим шагом, но в продаже вы вряд ли найдете все номиналы из ряда (в случае необходимости можно заказать их изготовление на любое напряжение для поставки больших партий), но обычно можно использовать ближайшие номиналы из ряда в сторону увеличения напряжения.

Таблица 2. Основные параметры дисковых варисторов серии TVR.

Тип

варистора

Un,

В

Um~,

В

Um=,

В

w,

Дж

Co,

пФ

Для повышения рассеиваемой мощности варисторы можно включать последовательно (или параллельно, если подбирать их по идентичным параметрам). Размеры варисторов зависят от мощности, но так как такие элементы работают при импульсной перегрузке, чаще указывают рассеиваемую энергию в джоулях:

которая связана с мощностью соотношением:

Для выбора варистора с необходимой энергией рассеивания для защиты нагрузок, потребляющих мощность более 1. 2 кВт, в практических расчетах можно руководствоваться приведенной формулой:

• W — максимальная мгновенная энергия в джоулях;
• Р — номинальная мощность нагрузки, приходящаяся на одну фазу, Вт;
• а — коэффициент нелинейности варистора;
• f — частота переменного напряжения, Гц;
• n — КПД защищаемой нагрузки.

Максимально допустимое значение рассеиваемой энергии у примененного варистора должно превышать эту величину.

Так как перегрев варистора приводит к его повреждению, выпускаются такие элементы и с уникальными свойствами, например, имеющие температурную защиту — размыкающий механический контакт в защищаемой цепи, что значительно повышает надежность работы узла.

Сравнение основных характеристик варисторов разных типов можно найти в Интернет. Суть его заключается в том, что отечественные производители выпускают компоненты по техническим параметрам не хуже, чем это делают за рубежом (правда, приобрести их радиолюбителю намного сложней — в продаже чаще можно встретить импортные).

В качестве основного недостатка варистора можно отметить его большую собственную емкость, которая вносится в цепь. В зависимости от конструкции, типа и номинального напряжения эта емкость может составлять от 80 до 30000 пФ.

Впрочем, для некоторых применений большая емкость может быть и достоинством, например в фильтре, совмещающем в себе функцию ограничения напряжения (для таких применений можно заказать изготовление варисторов с повышенной емкостью).

Вторым недостатком является меньшая максимальная допустимая рассеиваемая мощность по сравнению с разрядниками (для увеличения мощности рассеивания изготовители увеличивают размеры корпуса варистора).

Литература: Радиолюбителям полезные схемы, Книга 5. Шелестов И.П.

Варистор: устройство, принцип действия и применение

Существует много приспособлений, с помощью которых организуется защита чувствительных электронных схем и устройств, являющихся частью радиоэлектронной цепи, от высоковольтных переходных процессов и скачков напряжения. Одним из таких эффективных средств является варистор, который представляет собой двухвыводной твердотельный полупроводниковый прибор с симметричной нелинейной вольтамперной характеристикой (ВАХ).

Устройство, характеристики и принцип действия варистора

Данный радиоэлемент, использующийся в сетях постоянного и переменного тока, обеспечивает защиту электроники при помощи стабилизации напряжения. Главная особенность заключается в том, что сопротивление прибора полностью зависит от напряжения в цепи, изменяясь автоматически. То есть, если напряжения повышается, варистор переходит из изолирующего состояния в состояние электропроводящее. Данный принцип работы варистора позволяет охарактеризовать его как нелинейный или переменный резистор.

Когда возникает перенапряжение, угрожающее чувствительной электронике, варистор практически мгновенно изменяет свое сопротивление от сотен МОм до десятков Ом, замыкая цепь. Поскольку прибор является безынерционным элементом, он способен восстанавливать свои свойства мгновенно, что обеспечивает эффективную защиту от импульсных выбросов. Как правило, в паре с нелинейным резистором размещается плавкий предохранитель, который сгорает при скачке напряжения, разрывая цепь.

Различают 2 основных вида варисторов:

• низковольтные – рассчитаны на рабочее напряжение от 3 до 200 В (используются для защиты радиокомпонентов в низковольтных цепях);
• высоковольтные – работают в цепях со значениями тока до 20 кВ (применяются для защиты электрических сетей и установок).

Устройство варистора не является сложным, поскольку прибор изготавливается методом спекания оксида цинка или карбида кремния с добавлением связующих веществ. После термической обработки поверхность полученной основы покрывается металлом (как правило, в форме двух дисков), к которому припаиваются металлические выводы (луженая медь). Поверх конструкции наносится диэлектрик в виде керамической или эпоксидной оболочки.

Основные характеристики и параметры варисторов:

• максимально допустимое напряжение – от нескольких вольт до нескольких десятков киловольт;
• время срабатывания – измеряется в наносекундах;
• максимальная энергия поглощения – измеряется в Джоулях;
• емкость – зависит от приложенного напряжения;
• напряжение классификации – как правило, составляет 1 мА;
• максимальный импульсный ток – измеряется в Амперах;
• допустимое отклонение – указывается в процентах.

Маркировка варисторов и применение

На корпус каждого такого прибора наносятся цифры и буквы, которые несут в себе информацию о характеристиках радиоэлемента: допустимое отклонение, форм-фактор (диск или стержень), максимально допустимое напряжение, диаметр, тип устройства (металлооксидный или оскидноцинковый). Стоит учитывать возможное различие по напряжениям и уровням тока, поскольку каждый производитель имеет право устанавливать маркировку самостоятельно.

Широкое применение варисторов обусловлено их эффективностью и доступностью, широким диапазоном напряжения, простотой исполнения, длительным сроком службы, а также возможностью отслеживания перепадов напряжения. Среди недостатков можно выделить низкочастотный шум, утрату свойств со временем, большую емкость и зависимость вольтамперной характеристики от температуры.

Данные компоненты можно встретить практически в любом сегменте электроники:

• телекоммуникационное оборудование – модемы и роутеры, DECT-телефоны, абонентское оборудование и сетевые карты;
• низковольтное оборудование и одноплатные устройства – компьютеры, контроллеры и измерительные приборы, медицинское оборудование, дистанционные датчики и интерфейсы;
• электросети и сетевые фильтры – бытовая электроника, автоматы и промышленные источники питания, LED-драйверы, блоки питания и ИБП, а также сетевые фильтры и измерители мощности;
• автомобильная электроника – сервоприводы и контроллеры, ABS, блоки управления и шины данных;
• индустриальное оборудование большой мощности – насосы, компрессоры и двигатели, соленоиды и силовые реле, роботы, а также драйверы и мощные источники питания.

Проверка элемента

Зная, как работает варистор, можно легко проверить его на исправность. Существует три способа проверки данного компонента. Первый из них – самый простой, поскольку представляет собой визуальный осмотр (трещины, следы оплавления или вздутия сразу будут заметны). Если устройство запылено, рекомендуется очистить его от пыли. Второй способ потребует наличия и опыта работы с мультиметром, который должен показывать сопротивление ближе к бесконечности. Третий способ потребует прозвонить цепь, что потребует отпаять одну из ножек нелинейного резистора (рабочий варистор не пропустит ток). В случаях, когда маркировка на корпусе варистора стерта, поможет мегомметр.

Советы по выбору

Описание варистора на сайте поможет подобрать оптимальный тип устройства для защиты электрооборудования от перегрузок. Для этого следует знать такие параметры, как мощность импульсов, образующихся при коммутации, а также величина сопротивления источника на входе. Для эффективной защиты рекомендуется выбирать устройство с напряжением, имеющим небольшой запас к номинальному.

Хоть время срабатывания варистора и является отличным значением, но в некоторых случаях оно оказывается недостаточным. В качестве альтернативы существует технология SMD-резисторов, время срабатывания которых варьируется от 0,5 наносекунд и выше.

Варисторы — принцип действия, типы и применение

Варистором называется полупроводниковый компонент, способный нелинейно изменять свое активное сопротивление в зависимости от величины приложенного к нему напряжения. По сути это — резистор с такой вольт-амперной характеристикой, линейный участок которой ограничен узким диапазоном, к которому приходит сопротивление варистора при приложении к нему напряжения выше определенного порогового.

В этот момент сопротивление элемента скачкообразно изменяется на несколько порядков — уменьшается от изначальных десятков МОм до единиц Ом. И чем сильнее повышается приложенное напряжение — тем меньше и меньше становится сопротивление варистора. Данное свойство делает варистор главным элементом современных устройств защиты от импульсных перенапряжений.

Будучи подключен параллельно защищаемой нагрузке, варистор берет на себя ток помехи и рассеивает его в форме тепла. А по окончании данного события, когда приложенное напряжение снижается и возвращается за порог, варистор восстанавливает свое исходное сопротивление, и снова готов выполнять защитную функцию.

Можно сказать, что варистор представляет собой полупроводниковый аналог газового разрядника, только у варистора, в отличие от газового разрядника, первоначальное высокое сопротивление восстанавливается быстрее, практически отсутствует инерционность, да и диапазон номинальных напряжений начинается от 6 и доходит до 1000 и более вольт.

По этой причине варисторы находят широкое применение в защитных цепях полупроводниковых ключей, в схемах с индуктивными элементами (для искрогашения), а также в качестве самостоятельных элементов электростатической защиты входных цепей радиоэлектронных устройств.

Процесс изготовления варистора заключается в спекании порошкообразного полупроводника со связующим компонентом при температуре в районе 1700 °C. Здесь в ход идут такие полупроводники как оксид цинка или карбид кремния. Связующим веществом может служить жидкое стекло, глина, лак или смола. На полученный путем спекания дискообразный элемент металлизацией наносят электроды, к которым и припаивают монтажные выводы компонента.

Кроме традиционной дисковой формы, можно встретить варисторы в форме стержней, бусинок и пленок. Перестраиваемые варисторы изготавливают в форме стержней с подвижным контактом. Традиционные полупроводниковые материалы, применяемые в производстве варисторов на основе карбида кремния с разными связками: тирит, вилит, лэтин, силит.

Внутренний принцип действия варистора заключается в том, что грани маленьких полупроводниковых кристаллов внутри связующей массы соприкасаются друг с другом, образуя проводящие цепочки. При прохождении через них тока определенной величины, наступает местный перегрев кристаллов, и сопротивление цепочек падает. Этим явлением и объясняется нелинейность ВАХ варистора.

Один из главных параметров варистора, наряду со среднеквадратичным напряжением срабатывания, — коэффициент нелинейности, показывающий отношение статического сопротивления к динамическому. Для варисторов на основе оксида цинка данный параметр лежит в диапазоне от 20 до 100. Что касается температурного коэффициента сопротивления варистора (ТКС), то он обычно отрицателен.

Варисторы компактны, надежны, хорошо справляются со своей задачей в широком диапазоне рабочих температур. На печатных платах и в УЗИП можно встретить маленькие дисковые варисторы диаметром от 5 до 20 мм. Для рассеивания более высоких мощностей применяются блочные варисторы с габаритными размерами 50, 120 и более миллиметров, способные рассеивать в импульсе килоджоули энергии и пропускать через себя токи в десятки тысяч ампер, при этом не терять работоспособности.

Один из самых важных параметров любого варистора — время срабатывания. Хотя обычное для варистора время активации не превышает 25 нс, и в некоторых цепях этого достаточно, тем не менее кое-где, например для защиты от электростатики, необходима более быстрая реакция, не более 1 нс.

В связи с данной потребностью, ведущие мировые производители варисторов направляют свои усилия именно в сторону повышения их быстродействия. Один из путей достижения данной цели — сокращение длины (соответственно индуктивности) выводов многослойных компонентов. Такие CN-варисторы уже заняли достойное место в деле защиты от статики выводов интегральных микросхем.

Классификационное напряжение варистора DC (1mA) — является условным параметром, при данном напряжении ток через варистор не превышает 1 мА. Именно классификационное напряжение указывается в маркировке варистора.

ACrms — среднеквадратичное переменное напряжение срабатывания варистора. DC – напряжение срабатывания на постоянном напряжении.

Кроме того нормируется максимально допустимое напряжение при заданном токе, например V@10A. W – номинальная рассеиваемая компонентом мощность. J – максимальная энергия одного поглощенного импульса, от которой зависит время, на протяжении которого варистор сможет рассеивать номинальную мощность, оставаясь при этом в исправном состоянии. Ipp – пиковый ток варистора, нормируемый по времени нарастания и длительности поглощаемого импульса, чем дольше импульс — тем меньше допустимый пиковый ток (измеряется в килоамперах).

Для получения большей рассеиваемой мощности допускается параллельное и последовательное включение варисторов. При параллельном включении важно подобрать варисторы максимально близкие по параметрам.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Что такое варистор

Варистор — это полупроводниковый элемент, который предназначен для защиты электронных схем от скачков напряжения. По сути, варистор — это тот же самый резистор, основным параметром которого является сопротивление, которое зависит от поступающего на него напряжения.

Основным предназначением варисторов является защита радиоэлектронных цепей от перенапряжения. Основной характеристикой варисторов является вольт-амперная составляющая. Именно она и будет изменяться в зависимости от величины напряжения, которое проходит через варистор.

Таким образом, становится понятно, как именно работает варистор и для чего он нужен. В этой статье сайта САМ Электрик ИНФО https://samelektrikinfo.ru/ будет рассказано о том, что такое варистор, как он работает и устроен, а также, какое имеет обозначение на схемах. Данная статья носит ознакомительный характер и предназначена она в первую очередь для начинающих радиолюбителей.

Что такое варистор

Варистор — это полупроводник, резистор, по сути, проводимость которого всецело зависит от проходящего напряжения. Варисторы служат для защиты электронных элементов на плате от сильных скачков напряжения. Любой варистор имеет два вывода, а основным его параметром является нелинейная вольт-амперная характеристика, обозначающаяся в виде «ВАХ».

Стабилизация напряжения — вот главная задача варистора. Происходит это благодаря одной маленькой особенности, поскольку варисторы умеют автоматически менять своё сопротивления в зависимости от напряжения в цепи. И если вдруг в цепи возникает большое перенапряжение, то варистор просто замкнёт цепь и, не даёт тем самым выйти из строя другим элементам на плате.

Виды варисторов

Существует два принципиально разных вида варисторов, это высоковольтные и низковольтные варисторы. Высоковольтные варисторы рассчитаны на работу в цепях до 20 кВ, а низковольтные варисторы работают в цепях от 3 до 200 Вольт.

Именно низковольтные варисторы и получили наибольшую популярность в различных радиоустройствах, которыми мы привыкли пользоваться на сегодняшний день. Изготавливаются варисторы из карбида кремния и оксида цинка, с последующим покрытием данных элементов металлом.

Основные характеристики варисторов

Все варисторы имеют следующие характеристики, которые важно брать во внимание каждому начинающему радиолюбителю:

• рабочее напряжение варистора, оно может быть от двух Вольт и заканчиваться десятками киловольт;
• время срабатывания варистора, оно измеряется в наносекундах;
• емкость варистора, всецело зависит от напряжения в цепи;

• полная энергия поглощения, которая измеряется в Джоулях;
• максимальный импульсный ток, который измеряется в Амперах.

Также любой варистор имеет такую характеристику, как допустимое отклонение, которое измеряется в процентах. Далее рассмотрим, как обозначается варистор на схемах, какую маркировку он имеет.

Маркировка и обозначение варисторов на схемах

Варисторы имеют как графическое, так и буквенное обозначение, которое наносится прямо на их корпус.

Обычно на корпусе варисторов указываются определенные характеристики этого полупроводника, такие как:

• форм-фактор варистора;
• допустимое отклонение;
• максимальное рабочее напряжение;
• диаметр варистора.

Также на корпусе может быть указан тип варистора, оксидно-цинковый или металлооксидный. При этом стоит заметить, что каждый производитель варисторов имеет право устанавливать свою собственную маркировку этого устройства.

Принцип работы варистора

Варистор работает следующим образом. Его сопротивление при работе в обычном режиме большое. При значительном повышении напряжения сопротивление варистора начинает снижаться. Таким образом, происходит регулировка и защита электронной цепи.

Следует учитывать, что при установке на входе в электроцепи варистор добавляет свою емкость к уже существующей емкости. Поэтому данную особенность важно учитывать при проектировании всей линии.

Варистор — что это такое, принцип работы, применение, обозначение на схемах