Для чего нужны варисторы
Назначение, характеристики и принцип работы варистора
Среди радиолюбителей большой популярностью пользуются варисторы. Они применяются практически во всех электронных устройствах и позволяют усовершенствовать некоторые приборы. Для использования в схемах следует понять принцип работы варистора, а также знать его основные характеристики. Кроме того он, как и любая деталь, обладает своими достоинствами и недостатками, которые нужно учитывать при построении и расчете электрических схем.
Общие сведения
Варистор (varistor) является полупроводниковым резистором, уменьшающим величину своего сопротивления при увеличении напряжения. Условное графическое обозначение (УГО) представлено на рисунке 1, на котором изображена зависимость сопротивления радиокомпонента от величины напряжения. На схемах обозначается znr. Если их больше одного, то обозначается в следующем виде: znr1, znr2 и т. д.
Рисунок 1 — УГО варистора.
Многие начинающие радиолюбители путают переменный резистор и варистор. Принцип действия, основные характеристики и параметры этого элемента отличаются от переменного резистора. Кроме того, распространенной ошибкой составления электрических принципиальных схем является неверное его УГО. Варистор выглядит как конденсатор и распознается только по маркировке.
Виды и принцип работы
Полупроводниковые резисторы классифицируются по напряжению, поскольку от этого зависит их сфера применения. Их всего 2 вида:
Все они применяются для защиты цепей от перегрузок: первые — для защиты электросетей, электрических машин и установок; вторые служат для защиты радиокомпонентов в низковольтных цепях. Принцип работы варисторов одинаков и не зависит от его вида.
В исходном состоянии он обладает высоким сопротивлением, но при превышении номинального значения напряжения оно падает. В результате этого, по закону Ома для участка цепи, значение силы тока возрастает при уменьшении величины сопротивления. Варистор при этом работает в режиме стабилитрона. При проектировании устройства и для корректной его работы следует учитывать емкость варистора, значение которой прямо пропорционально площади и обратно пропорционально его толщине.
Для того чтобы правильно подобрать элемент для защиты от перегрузок в цепях питания устройства, следует знать величину сопротивления источника на входе, а также мощность импульсов, образующихся при коммутации. Максимальное значение силы тока, пропускаемое варистором, определяет величину длительности и периода повторений выбросов амплитудных значений 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.
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:
Существуют технические характеристики, необходимые для применения в схеме. Это связано с тем, что для защиты различных элементов цепи следует использовать различный тип полупроводникового сопротивления.
Их основные характеристики:
После описания принципа работы, особенностей маркировки и основных характеристик следует рассмотреть сферы применения варисторов.
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.
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 фирма «S+М Eрсоs» 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.
Достоинства и недостатки
Для использования варистора следует ознакомиться с его положительными и отрицательными сторонами, поскольку от этого зависит защита электроники. К положительным качествам следует отнести следующие:
У варистора, кроме его достоинств, существуют серьезные недостатки, на которые следует обратить внимание при разработке какого-либо устройства. К ним относятся:
Емкость полупроводникового прибора находится в пределах от 70 до 3200 пФ и, следовательно, существенно влияет на работу схемы. Эта величина зависит от конструкции и типа прибора, а также от напряжения. Однако в некоторых случаях этот недостаток является достоинством при использовании его в фильтрах. Значение большей емкости ограничивает величину напряжения.
При максимальных значениях напряжения для рассеивания мощности следует применять варисторы-разрядники, поскольку обыкновенный полупроводниковый прибор перегреется и выйдет из строя. Каждому радиолюбителю следует знать алгоритм проверки варистора, поскольку при обращении в сервисные центры существует вероятность заплатить за ремонт больше, чем он стоит в действительности.
Проверка на исправность
Для поиска неисправностей необходима схема устройства. Для примера следует обратиться к схеме 2, в которой применяется варистор. В ней будет рассмотрен только вариант выхода из строя полупроводникового резистора. Основным этапом поиска неисправностей является подготовка рабочего места и инструмента, которая позволяет сосредоточиться на выполнении ремонта и произвести его качественно. Для ремонтных работ потребуется следующий инструмент:
После подготовки рабочего места и инструмента следует аккуратно разобрать сетевой фильтр, а затем при необходимости произвести очистку от пыли и мусора.
Схема 2 — Схема электрическая принципиальная сетевого фильтра на 220 вольт и его доработка.
Найти варистор и произвести его визуальный осмотр. Корпус должен быть целым и без трещин. Если было обнаружено нарушение целостности корпуса, то его необходимо выпаять и произвести замену на такой же или выбрать аналог. Необходимо отметить, что полярность подключения варистора в цепь не имеет значения. Если механические повреждения не обнаружены, то следует перейти к его диагностике, которая производится двумя способами:
В первом случае деталь выпаивается из платы и замеряется значение ее сопротивления при помощи мультиметра. Переключатель ставится в положение максимального диапазона измерений (2 МОм достаточно). При замере не следует касаться руками варистора, поскольку прибор покажет сопротивление тела. Если мультиметр показывает высокие значения, то радиокомпонент исправен, а при других значениях его следует заменить. После замены следует собрать корпус и произвести включение сетевого фильтра.
Существует и другой способ выявления неисправного варистора, основанный на анализе характеристик элемента. Его, как правило, используют в том случае, если замер величины сопротивления не дал необходимых результатов. Для этого следует обратиться к техническим характеристикам варистора, согласно которым можно выявить его неисправность.
Следует проверить силу тока, при которой он работает, поскольку ее значение может быть меньше необходимой. В этом случае он не будет работать. Также нужно проверить величину напряжения, на которую он рассчитан. Если по каким-либо причинам эти показатели меньше допустимых, то полупроводниковый резистор не откроется.
Таким образом, варистор получил широкое применение в различных устройствах защиты от перепадов напряжения и блоках питания, а также статического электричества. Современные технологии позволяют получить низкие показатели времени срабатывания, благодаря которому сферы применения этого радиоэлемента расширяются.
Варистор: объясняем во всех подробностях
В электронике можно выделить группу компонентов, задача которых ограничение всплесков напряжения. Один из таких элементов — варистор. Чаще всего данный аппарат можно встретить в большинстве хороших блоков питания. В этой статье мы поговорим о том, как работают и где применяются варисторы.
Форма волны переменного тока в переходном процессе
Варисторы подключаются непосредственно к цепям электропитания (фаза — нейтраль, фаза-фаза) при работе на переменном токе, либо плюс и минус питания при работе на постоянном токе и должны быть рассчитаны на соответствующее напряжение. Варисторы также могут быть использованы для стабилизации постоянного напряжения и главным образом для защиты электронной схемы от высоких импульсов напряжения.
Стандартная схема подключения варистора
параллельно защищаемой нагрузке подключают варистор VA1, а перед ним ставят предохранитель F1:
Принцип действия, обозначение на схеме, варианты применения
Внешне варистор очень похож на конденсатор, но его внутреннее устройство, как видно из рисунка 3, совершенное иное.
Рисунок 3. Конструкция варистора (1) и его обозначение на схемах (2)
Обозначения:
Помимо конструкции, на рисунке 3 показано обозначение элемента на принципиальных схемах (2).
Содержание оксида цинка в керамическом изоляционном слое определяет порог срабатывания варистора, как только напряжение станет выше допустимого, сопротивление резко снижается и проходящий через полупроводник ток увеличивается. Вырабатывающаяся в результате этого процесса тепловая энергия рассеивается в воздухе.
Такой принцип действия позволяет не допустить выход из строя электронных устройств при краткосрочном перепаде напряжения. Длительный импульс вызовет перегрев и разрушение варистора, но на этот процесс требуется время. Хоть оно исчисляется долями секунды, в большинстве случаев, этого достаточно для срабатывания плавкого предохранителя.
Именно поэтому после замены предохранителя необходимо проверять варистор (внешний осмотр и тестирование мультиметром). В противном случае, следующий перепад напряжения, с большой долей вероятности, приведет к разрушению компонентов электронного устройства.
Изготовление
Изготавливают варисторы спеканием при температуре около 1700 °C полупроводника, преимущественно порошкообразного карбида кремния (SiC) или оксида цинка (ZnO), и связующего вещества (например, глина, жидкое стекло, лаки, 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.
Статическое сопротивление варистора
При нормальной работе, варистор имеет очень высокое сопротивление, поэтому его работа схожа с работой стабилитрона. Однако, когда на варисторе напряжение превышает номинальное значение, его эффективное сопротивление сильно уменьшается, как показано на рисунке выше.
Мы знаем из закона Ома, что ток и напряжение имеют прямую зависимость при постоянном сопротивлении. Отсюда следует, что ток прямо пропорционален разности потенциалов на концах резистора.
Но ВАХ (вольт-амперная характеристика) варистора не является прямолинейной, поэтому в результате небольшого изменения напряжения происходит значительное изменение тока. Ниже приведена кривая зависимости тока от напряжения для типичного варистора:
Мы можем видеть сверху, что варистор имеет симметричную двунаправленную характеристику, то есть варистор работает в обоих направлениях (квадрант Ι и ΙΙΙ) синусоиды, подобно работе стабилитрона.
Когда нет всплесков напряжения, в квадранте IV наблюдается постоянное значение тока, это ток утечки, составляющий всего несколько мкА, протекающий через варистор.
Из-за своего высокого сопротивления, варистор не оказывает влияние на цепь питания, пока напряжение находится на номинальном уровне. Номинальный уровень напряжения (классификационное напряжение) — это такое напряжение, которое необходимо приложить на выводы варистора, чтобы через него проходил ток в 1 мА. В свою очередь величина этого напряжения будет отличаться в зависимости от материала, из которого изготовлен варистор.
При превышении классификационного уровня напряжения, варистор совершает переход от изолирующего состояния в электропроводящее состояние. Когда импульсное напряжение, поступающее на варистор, становится больше, чем номинальное значение, его сопротивление резко снижается за счет лавинного эффекта в полупроводниковом материале. При этом малый ток утечки, протекающий через варистор, быстро возрастает, но в тоже время напряжение на нем остается на уровне чуть выше напряжения самого варистора. Другими словами, варистор стабилизирует напряжение на самом себе путем пропускания через себя повышенного значения тока, которое может достигать не одну сотню ампер.
Основные характеристики и параметры
Надо отметить, что это универсальный прибор. Он способен работать сразу со всеми видами тока: постоянным, импульсным и переменным. Это происходит из-за того, что он сам не имеет полярности. При изготовлении используется большая температура, чтобы спаять порошок кремния или цинка.
Параметры, которые необходимо учитывать:
Чтобы правильно подобрать варистор иногда необходимо учитывать и емкость. Она сильно зависит от размера прибора. Так, tvr10431 имеет 160nF, tvr 14431 370nF. Но даже одинаковые по диаметру детали могут обладать разной емкостью, так S14K275 имеет 440nF.
Пример реализации защиты
На рисунке 4 показан фрагмент принципиальной схемы БП компьютера, на котором наглядно показано типовое подключение варистора (выделено красным).
Рисунок 4. Варистор в блоке питания АТХ
Судя по рисунку, в схеме используется элемент TVR 10471К, используем его в качестве примера расшифровки маркировки:
Можно встретить и более простую маркировку, например, К275, в этом случае К – это класс точности (10%), последующие три цифры обозначают величину действующего напряжения, то есть, 275 вольт.
Применение в быту
Назначение варисторов — защита цепи при импульсах и перенапряжениях на линии. Это свойство позволило рассматриваемым элементам найти свое применение в качестве защиты:
В большинстве дешевых блоков питания не устанавливают никаких защит. А вот в хороших моделях по входу устанавливают варисторы.
Кроме того, все знают, что компьютер нужно подключать к питанию через специальный удлинитель с кнопкой — сетевой фильтр. Он не только фильтрует помехи, в схемах нормальных фильтров также устанавливают варисторы.
Часто электрики рекомендуют защитить китайские светодиодные лампы, установив варистор параллельно патрону. Также защищают и другие устройства, некоторые монтируют варистор в розетку или в вилку, чтобы обезопасить подключаемую технику.
Чтобы защитить всю квартиру — вы можете установить варистор на дин-рейку, в хороших устройствах в корпусе расположены настоящие мощные варисторы диаметром с кулак. Примером такого устройства является ОИН-1, который изображен на фото ниже:
В заключение хотелось бы отметить, что назначение варистора – защитить какую-либо электрическую цепь. Принцип работы основан на изменении сопротивления полупроводниковой структуры под воздействием высокого напряжения. Напряжение, при котором через элемент начинает течь ток силой 1 мА называют классификационным. Это и диаметр элемента есть основными параметрами при выборе. Пожалуй, мы доступно объяснили, что такое варистор и для чего он нужен, задавайте вопросы в комментариях, если вам что-то непонятно.
Напоследок рекомендуем просмотреть полезные видео по теме статьи:
Наверняка вы не знаете:
Материалы варисторов
Тирит, вилит, лэтин, силит — полупроводниковые материалы на основе карбида кремния с разными связками. Оксид цинка — новый материал для варисторов.
Как же найти на плате варистор?
По схеме приведённой выше, видно что этот элемент находится рядом с предохранителем в месте прихода на плату проводов питания. Обычно это диск жёлтого или тёмно-зелёного цвета.
На фото варистор указан красной стрелкой. Можно было подумать что варистор это синяя деталь, покрытая чёрной копотью, но на увеличении видно трещины на корпусе варистора, от которого покрылись нагаром расположенные рядом детали.Хорошо это видно и с обратной стороны, где написаны условные обозначения. Даже если их не будет, распознать варистор можно, зная что он подсоединён параллельно нагрузке или по маркировке на его корпусе.
VA1- это варистор, а синяя деталь рядом это конденсатор-С70.
Не путайте их, по форме они одинаковые, так что ориентируйтесь на маркировку и условные обозначения на плате.
Но для этих целей вполне подойдёт пинцет или обычные плоскогубцы-нужно захватить ножку детали и вытянуть когда припой расплавится.Если у вас плохо плавится припой, то скорее всего он на плате высокотемпературный-так называемый бессвинцовый (может заметили на моей плате надпись PbF — плюмбум фри). В этом случае нужно или увеличить температуру жала паяльника или же капнуть сверху другого более низкотемпературного, место пайки расплавится и можно будет удалить деталь. После этого вставляем новый варистор и припаиваем его.
Для пайки очень удобно пользоваться припоем в виде проволоки у которого внутри уже есть флюс.
Ещё обратите внимание, что большинство плат — двусторонние, поэтому припаивать ножки детали нужно с обеих сторон платы, так как нередко бывает что ножка детали выполняет роль перемычки между дорожками с разных сторон платы.
После замены варистора остаётся только поставить новый предохранитель и установить плату на место.
Обычно в платах кондиционера стоят варисторы на напряжение 470 В, и предохранители номиналом от 0.5 А до 5 А. Поэтому рекомендую всегда иметь при себе небольшой запас этих деталей.
Для тех кому требуется отремонтировать плату, путём замены варистора, помогут наши сервисные специалисты, цены смотрите здесь.
Варистор. Принцип работы и применение
Варистор является пассивным двухвыводным, твердотельным полупроводниковым прибором, который используется для обеспечения защиты электрических и электронных схем. В отличие от плавкого предохранителя или автоматического выключателя, которые обеспечивают защиту по току, варистор обеспечивает защиту от перенапряжения с помощью стабилизации напряжения подобно стабилитрону.
Слово «Варистор» является аббревиатурой и сочетанием слов «Varistor — variable resistor», резистор, имеющий переменное сопротивление, что в свою очередь описывает режим его работы. Его буквальный перевод с английского (Переменный Резистор) может немного ввести в заблуждения — сравнивая его с потенциометром или реостатом.
Но, в отличие от потенциометра, сопротивление которого может быть изменено вручную, варистор меняет свое сопротивления автоматически с изменением напряжения на его контактах, что делает его сопротивление зависимым от напряжения, другими словами его можно охарактеризовать как нелинейный резистор.
В настоящее время резистивный элемент варистора изготавливают из полупроводникового материала. Это позволяет использовать его как в цепях переменного, так и постоянного тока.
Варистор во многом похож по размеру и внешнему виду на конденсатор и его часто путают с ним. Тем не менее, конденсатор не может подавлять скачки напряжения таким же образом, как варистор.
Не секрет, что когда в цепи электропитания схемы какого-либо устройства возникает импульс высокого напряжения, то исход зачастую бывает плачевным. Поэтому применение варистора играет важную роль в системе защиты чувствительных электронных схем от скачков напряжения и высоковольтных переходных процессов.
Всплески напряжения возникают в различных электрических схемах независимо от того, работают они от сети переменного или постоянного тока. Они часто возникают в самой схеме или поступают в нее от внешних источников. Высоковольтные всплески напряжения могут быстро нарастать и доходить до нескольких тысяч вольт, и именно от этих импульсов напряжения необходимо защищать электронные компоненты схемы.
Один из самых распространенных источников подобных импульсов – индуктивный выброс, вызванный переключением катушек индуктивности, выпрямительных трансформаторов, двигателей постоянного тока, скачки напряжения от включения люминесцентных ламп и так далее.
Форма волны переменного тока в переходном процессе
Варисторы подключаются непосредственно к цепям электропитания (фаза — нейтраль, фаза-фаза) при работе на переменном токе, либо плюс и минус питания при работе на постоянном токе и должны быть рассчитаны на соответствующее напряжение. Варисторы также могут быть использованы для стабилизации постоянного напряжения и главным образом для защиты электронной схемы от высоких импульсов напряжения.
Статическое сопротивление варистора
При нормальной работе, варистор имеет очень высокое сопротивление, поэтому его работа схожа с работой стабилитрона. Однако, когда на варисторе напряжение превышает номинальное значение, его эффективное сопротивление сильно уменьшается, как показано на рисунке выше.
Мы знаем из закона Ома, что ток и напряжение имеют прямую зависимость при постоянном сопротивлении. Отсюда следует, что ток прямо пропорционален разности потенциалов на концах резистора.
Но ВАХ (вольт-амперная характеристика) варистора не является прямолинейной, поэтому в результате небольшого изменения напряжения происходит значительное изменение тока. Ниже приведена кривая зависимости тока от напряжения для типичного варистора:
Мы можем видеть сверху, что варистор имеет симметричную двунаправленную характеристику, то есть варистор работает в обоих направлениях (квадрант Ι и ΙΙΙ) синусоиды, подобно работе стабилитрона.
Когда нет всплесков напряжения, в квадранте IV наблюдается постоянное значение тока, это ток утечки, составляющий всего несколько мкА, протекающий через варистор.
Из-за своего высокого сопротивления, варистор не оказывает влияние на цепь питания, пока напряжение находится на номинальном уровне. Номинальный уровень напряжения (классификационное напряжение) — это такое напряжение, которое необходимо приложить на выводы варистора, чтобы через него проходил ток в 1 мА. В свою очередь величина этого напряжения будет отличаться в зависимости от материала, из которого изготовлен варистор.
При превышении классификационного уровня напряжения, варистор совершает переход от изолирующего состояния в электропроводящее состояние. Когда импульсное напряжение, поступающее на варистор, становится больше, чем номинальное значение, его сопротивление резко снижается за счет лавинного эффекта в полупроводниковом материале. При этом малый ток утечки, протекающий через варистор, быстро возрастает, но в тоже время напряжение на нем остается на уровне чуть выше напряжения самого варистора. Другими словами, варистор стабилизирует напряжение на самом себе путем пропускания через себя повышенного значения тока, которое может достигать не одну сотню ампер.
Емкость варистора
Поскольку варистор, подключаясь к обоим контактам питания, ведет себя как диэлектрик, то при нормальном напряжении он работает скорее как конденсатор, а не как резистор. Каждый полупроводниковый варистор имеет определенную емкость, которая прямо пропорциональна его площади и обратно пропорциональна его толщине.
При применении в цепях постоянного тока, емкость варистора остается более-менее постоянной при условии, что приложенное напряжение не больше номинального, и его емкость резко снижается при превышении номинального значения напряжения. Что касается схем на переменном токе, то его емкость может влиять на стабильность работы устройств.
Подбор варистора
Чтобы для конкретного устройства правильно подобрать варистор, желательно знать сопротивление источника и мощность импульсов переходных процессов. Варисторы на основе оксидов металлов имеют широкий диапазон рабочего напряжения, начиная от 10 вольт и заканчивая свыше 1000 вольт переменного или постоянного тока. В общем необходимо знать на каком уровне напряжения нужно защитить схему электроприбора и взять варистор с небольшим запасом, например для сети 230 вольт подойдет варистор на 260 вольт.
Максимальное значение тока (пиковый ток) на которое должен быть рассчитан варистор, определяется длительностью и количеством повторений всплесков напряжения. Если варистор установлен с малым пиковым током, то это может привести к его перегреву и выходу из строя. Таким образом, для безотказной работы, варистор должен быстро рассеивать поглощенную им энергию переходного импульса и безопасно возвращаться в исходное состояние.
Варианты подключения варистора
Подведем итог
В данной статье мы узнали, что варистор это тип полупроводникового резистора, имеющий нелинейную ВАХ. Он является надежным и простым средством обеспечения защиты от перегрузки и скачков напряжения. Варисторы применяются в основном в чувствительных электронных схемах. В случае если питающее напряжение неожиданно превышает нормальное значение, варистор защищает схему за счет резкого снижения собственного сопротивления, шунтируя цепь питания и пропуская через себя пиковый ток, доходящий порой до сотен ампер.
Классификационное напряжение варистора — это напряжение на самом варисторе при протекании через него тока в 1 мА. Эффективность работы варистора в электронной или электрической цепи зависит от правильного его выбора в отношении напряжения, тока и силы энергии всплесков.
Скачать справочные материалы по зарубежным варисторам (3,0 MiB, скачано: 5 388)