Для чего нужен варистор в электрической цепи
Варистор: устройство, принцип действия и применение
Содержание статьи
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:
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:
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:
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.
Варистор принцип работы
Слово «варистор» представляет собой сочетание слов VARI-able resi-STOR, используемыми для описания их режима работы еще в первые дни развития, который является немного неверным, так как варистор не может вручную изменять как, например потенциометр или реостат.
Но в отличие от переменного резистора, значение сопротивления которого можно вручную изменять между его минимальным и максимальным значениями, варистор автоматически изменяет значение своего сопротивления при изменении напряжения на нем, что делает его нелинейным резистором, зависящим от напряжения, или сокращенно VDR.
В настоящее время резистивный корпус варистора изготовлен из полупроводникового материала, что делает его типом полупроводникового резистора с неомическими симметричными характеристиками напряжения и тока, подходящими как для переменного, так и для постоянного напряжения.
Во многих отношениях варистор по размеру и конструкции похож на конденсатор, и его часто путают с ним. Однако конденсатор не может подавить скачки напряжения так же, как варистор. Когда к цепи прикладывается скачок высокого напряжения, результат обычно катастрофичен для цепи, поэтому варистор играет важную роль в защите чувствительных электронных схем от пиков переключения и перенапряжений.
Переходные скачки происходят из множества электрических цепей и источников независимо от того, работают ли они от источника переменного или постоянного тока, поскольку они часто генерируются в самой цепи или передаются в цепь от внешних источников. Переходные процессы в цепи могут быстро возрастать, увеличивая напряжение до нескольких тысяч вольт, и именно эти скачки напряжения должны быть предотвращены в чувствительных электронных схемах и компонентах.
Одним из наиболее распространенных источников переходных напряжений является эффект L (di / dt), вызываемый переключением индуктивных катушек и намагничивающими токами трансформатора, приложениями переключения двигателей постоянного тока и скачками напряжения при включении цепей флуоресцентного освещения или других скачков напряжения питания.
Переходные формы волны переменного тока
Варисторы подключены в цепях через сеть питания либо между фазой и нейтралью, либо между фазами для работы от переменного тока, либо с положительного на отрицательный для работы от постоянного тока, и имеют номинальное напряжение, соответствующее их применению. Варистор также можно использовать для стабилизации напряжения постоянного тока и особенно для защиты электронных цепей от импульсов перенапряжения.
Варистор статического сопротивления
При нормальной работе варистор имеет очень высокое сопротивление, отсюда и его название, и работает аналогично стабилитрону, позволяя более низким пороговым напряжениям проходить без изменений.
Однако, когда напряжение на варисторе (любой полярности) превышает номинальное значение варисторов, его эффективное сопротивление сильно уменьшается с ростом напряжения, как показано выше.
Из закона Ома мы знаем, что вольт-амперные характеристики (IV) фиксированного резистора являются прямой линией при условии, что R поддерживается постоянным. Тогда ток прямо пропорционален разности потенциалов на концах резистора.
Но кривые IV варистора не являются прямой линией, так как небольшое изменение напряжения вызывает значительное изменение тока. Типичная нормализованная кривая зависимости напряжения от тока для стандартного варистора приведена ниже.
Сфера применения
Вваристоры широко и эффективно применяют для защиты электрических сетей, машин и оборудования, а также радиоэлектронных компонентов, плат и микросхем вне зависимости от вида напряжения. Они имеют невысокую цену изготовления, надежны в использовании и способны выдерживать высокие нагрузки.
Варисторы применяются, как в высоковольтных установках до 20 кВ, так и в низковольтных от 3 до 200 В в качестве ограничителя напряжения. При этом они могут работать, как в сетях с переменным, так и с постоянным током. Их используют для регулировки и стабилизации тока и напряжения, а также в защитных устройствах от перенапряжения. Используются в конструкции сетевых фильтров, блоков питания, мобильных телефонов, УЗИП и других ОИН.
Преимущества и недостатки варисторов
Важными преимуществами нелинейного резистора (варистора) является его стабильная и надежная работа с высокими частотами и большими нагрузками. Он применяется во многих устройствах, работающих с напряжениями от 3 В до 20 кВ, относительно прост и дешёв в производстве и эффективен в эксплуатации.
Дополнительными важными преимуществами являются:
Классификация и преимущества
Классификация полупроводниковых резисторов производится по рабочему напряжению. Напряжение разделяют на следующие виды: до 20 кВ и от 2,8 до 220 В.
Первые из них называются высоковольтными. Они нашли своё применение в электронных сетях, а вторые называются низковольтными и монтируются в электроприборы и бытовые устройства с целью защиты.
Технология изготовления и параметры
При изготовлении варистора используют два порошка:
Основная технология при изготовлении заключается в обжиге всех элементов под высокими температурами в печи и одновременном их спрессовывании. Получившееся изделие покрывают водостойким и электроизоляционным лаком. Эта технология называется керамической и позволяет заниматься изготовлением варистора на заказ.
Основные параметры варисторов
К таким параметрам относят:
Варисторы: применение
Прибор помогает предотвратить поломку многих электрических приборов и сохранить проводку в целостности.
Основным местом являются электрические цепи в различном оборудовании.
Например, они встречаются в пусковых элементах освещения, которые еще называются балластами.
Также устанавливаются в электрических схемах специальные варисторы, применение которых необходимо для стабилизации напряжения и тока.
Такие устройства используются еще в линиях электропередач. Но там они называются разрядниками, рабочее напряжение которых составляет более двадцати тысяч вольт.
Варисторы могут работать в большом диапазоне напряжения, который начинается с совсем маленького значения в 3 В, и заканчивается 200 В. Что касается силы тока элемента, то здесь диапазон составляет от 0,1 до 1 А. Такие показатели тока действительны только для низковольтного технического оборудования.
Положительные стороны варисторов
Данный вид аппаратов имеет множество положительных качеств, если сравнивать его с другими приборами, например, с разрядником.
К таким важным преимуществам можно отнести:
Отрицательные стороны
Чтобы увеличить показатель рассеянности необходимо увеличивать размер элементов, чем и занимаются многие производители.
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:
Варисторы широко применяются в промышленном оборудовании и приборах бытового назначения:
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:
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.
Варистор
Обозначение, параметры и применение варисторов
Все, кто сталкивался с радиоэлектронной аппаратурой, наверняка обратили внимание, что название большинства электронных компонентов заканчивается на «стор». Резистор, транзистор, тиристор, стабистор.
Рассмотрим ещё один компонент электронных схем. Он называется варистор и представляет собой резистор, сопротивление которого меняется в зависимости от величины подаваемого напряжения.
Varistor (Variable Resistor) так и переводится – изменяющееся сопротивление. А вот так варистор обозначается на принципиальных схемах.
Английская буква U рядом с наклонной чертой указывает на то, что сопротивление электронного компонента зависит от напряжения. На схемах варистор обычно маркируется двумя буквами RU, а после них ставиться порядковый номер варистора в схеме (1, 2, 3. ).
Варистор является полупроводниковым прибором, изготовленным из порошка карбида кремния (SiC) или окиси цинка (ZnO) методом прессования. У варистора симметричная и нелинейная вольт-амперная характеристика, поэтому он может применяться в цепях постоянного и переменного тока. Варисторы обладают крайне полезным для электрических цепей качеством. Они способны резко менять своё сопротивление при превышении напряжением определённого порога срабатывания.
В случае возникновения импульса напряжения способного вывести из строя электронное устройство, варистор практически мгновенно изменяет своё сопротивление от сотен МОм до десятков Ом, то есть закорачивает цепь питания, поэтому перед варистором всегда ставится обычный плавкий предохранитель.
Раньше для таких защитных целей ставились газонаполненные разрядники, но их быстродействие и надёжность не идут ни в какое сравнение с параметрами варисторов. Например, дисковый варистор без выводов и впаиваемый непосредственно в печатную плату имеет время срабатывания не превышающее нескольких наносекунд.
Варистор подключается параллельно цепи питания. При отсутствии опасных импульсов напряжения ток, протекающий через него, имеет небольшую величину и варистор не влияет на работу схемы, так как по сути является диэлектриком.
Если возник импульс перенапряжения, варистор из-за нелинейности характеристики уменьшает своё сопротивление практически до нуля. Нагрузка шунтируется, а поглощённая энергия рассеивается в виде тепла. Варистор не обладает инерцией, поэтому после «срезания» импульса он мгновенно снова приобретает очень большое сопротивление.
Если импульс перенапряжения был слишком большой и мощный, то варистор выходит из строя. Порой его корпус трескается, а то и вообще раскалывается на несколько частей.
Бывает, что варистор очень выручает при неполадках в электросети, так как принимает высоковольтный импульс на себя и способствует скорейшему разрыву цепи. При этом основная часть схемы остаётся невредимой. На фото блок питания от проектора, который вышел из строя после скачка напряжения в электросети 220V.
После замены плавкого предохранителя работа проектора была полностью восстановлена. Никакого сложного ремонта, кроме замены предохранителя и самого варистора не потребовалось. Вот так одна небольшая деталь может спасти дорогостоящий прибор.
Параметры варисторов.
Основные параметры варисторов:
Классификационное напряжение варистора (Varistor Voltage). Это величина напряжения, при котором через варистор протекает ток величиной 1 mA. Этот параметр не является рабочим и скорее является условным. При подборе варистора следует обращать внимание на параметры, о которых речь пойдёт далее;
Максимально допустимое переменное напряжение (Maximum Allowable Voltage – ACrms). Для варисторов указывается среднеквадратичное значение переменного напряжения (rms). Это величина переменного напряжения, при котором варистор «срабатывает» и начинает пропускать через себя ток, выполняя свои защитные функции;
Максимально допустимое постоянное напряжение (Maximum Allowable Voltage – DC). Тоже, что и максимально допустимое переменное напряжение но для постоянного тока. Как правило, величина этого параметра больше, чем для переменного тока. Указывается также в вольтах (V);
Максимальное напряжение ограничения (Maximum Clamping Voltage). Это максимальное напряжение, которое способен выдержать варистор без повреждения. Как правило оговаривается для конкретной величины протекающего через варистор тока. При превышении напряжения ограничения варистор выходит из строя. Корпус варистора при этом растрескивается надвое или вовсе разлетается на куски.
Максимальная поглощаемая энергия в джоулях (Дж). Это величина максимальной энергии импульса, которую может рассеять варистор в виде тепла без угрозы разрушения самого варистора;
Допустимое отклонение (Varistor Voltage Tolerance) – допустимое отклонение квалификационного напряжения варистора. Указывается в процентах – %. Может быть ±5%, ±10%, ±20% и т.д. В маркировке импортных варисторов значение допуска зашифровывается в маркировку варистора буквой. Например, для варисторов фирмы Joyin принято такое обозначение: K – ±10%, L – ±15%, M – ±20%, P – ±25%. Таким образом, для варистора типа JVR-07N391K – отклонение составляет не более ±10%.
При подборе варисторов для электронных схем лучше обращаться к справочному листку (даташиту) на конкретный варистор. Это будет более разумным решением, так как на корпус импортных варисторов наноситься только величина квалификационного напряжения, по которому достаточно сложно судить о параметрах защитного элемента.
Применение варисторов.
Для обычной сети 220 вольт устанавливают защитные варисторы с напряжением срабатывания 275 – 420 вольт. Вот пример надёжно защищённого сетевого фильтра.
Этот сетевой фильтр защищают три варистора. То есть надёжно блокируется проникновение импульса не только по фазовой цепи, но и по цепи нуля. Варистор RU1 стоит между фазой и нулевым проводником. Он осуществляет основную защиту. Два других RU2 и RU3 подключаются между фазой и землёй и между нулём и землёй. Очень часто бывает ситуация когда на целой улице у всех пользователей вышла из строя вся электронная бытовая аппаратура. О таких случаях были даже телепередачи, когда тысячи человек не могли разобраться на кого писать заявление в суд.
Миниатюрные многослойные варисторы уже давно используются в схемах мобильных телефонов и защищают их от статического электричества. Так же варисторы используются для надёжной защиты компьютерных разъёмов и выводов микропроцессоров от той же статики. Варисторы активно применяются в автомобильной электронике и телекоммуникационном оборудовании.
Варисторы можно встретить во входных цепях блоков питания. Вот фото варистора 391KD14 на плате резервируемого блока питания.
А здесь варистор FNR-14K391 установлен в схему охранного прибора «Гранит» для защиты его блока питания от всплесков напряжения в электросети 220V.
Обнаружить варистор можно и на платах электронного балласта для люминесцентных ламп. На фото показан варистор MYG-10K471, установленный в схему электронного пуско-регулирующего аппарата (ЭПРА) для четырёх линейных люминесцентных ламп. На плате он обозначен как RU.
Варисторы для защиты бытовой электроники обычно выпускаются в виде диска с двумя выводами. Чем больше диаметр диска, тем более мощный импульс напряжения способен погасить варистор. Мощность импульса или энергию, которую способен «погасить» варистор обычно измеряют в джоулях (Дж).
Вот, например, несколько варисторов. Значение диаметра варистора в миллиметрах, как правило, вводится в маркировку самого варистора, например, JVR-07N391K (диаметр – 7 мм.).
Диаметр самого большого варистора типа MYG-14K391, изображённого на фотографии – 14 мм. (
70 Дж), чуть поменьше варистор MYG-10K471 – 10 мм. (
45 Дж), а маленького JVR-07N391K – 7 мм. (
В скобках указана величина энергии поглощения в джоулях (Дж). Как видим, варистор, обладающий самым большим диаметром в 14 мм. способен погасить энергию опасного импульса в 70 джоулей, в то время как самый маленький варистор диаметром 7 мм. способен погасить всего лишь 30 джоулей. Таким образом, по величине диаметра варистора можно косвенно судить о его максимальной энергии поглощения. Понятно, что в электронные схемы предпочтительнее устанавливать варисторы, рассчитанные на большую энергию поглощения. Также рекомендуется устанавливать в схему по два одинаковых варистора, включенных параллельно.
Также существуют варисторы и для SMD монтажа. По внешнему виду они напоминают SMD диоды и поэтому их достаточно сложно отличить.
К варисторам отечественного производства относятся изделия марки СН2-1А, СН1-2-1, ВР-4В и др.
Конечно, у варисторов имеются недостатки, но они не столь значительны по сравнению с газоразрядными приборами. Прежде всего, варисторы обладают довольно большими шумами на низкой частоте, а также меняют свои параметры со временем и от воздействия температуры.
Стоит заметить, что среди защитных компонентов кроме варистора существует ещё один электронный компонент – супрессор. Это так называемый защитный диод или трансил. По своим функциям (но не устройству!) он чем-то похож на варистор, но обладает большим быстродействием и, как правило, используется в низковольтных цепях.
Кроме маломощных варисторов, которые применяются для защиты бытовой аппаратуры, промышленность выпускает очень мощные варисторы на большие напряжения и токи. Они используются на трансформаторных подстанциях и всегда включаются в системы грозозащиты.
При установке варисторов в самодельные конструкции следует иметь в виду, что иногда, при возникновении критических условий варисторы могут «взрываться» и чтобы предохранить монтаж и другие радиоэлектронные компоненты от последствий такого «взрыва» их стараются помещать в защитные экраны. Если сравнивать варисторы из карбида кремния и оксида цинка то, по мнению специалистов, вторые предпочтительнее.