Варистор. Принцип действия и применение

Слово “Варистор” является аббревиатурой и комбинацией слов “.Варистор – Переменный резистор”, резистор с переменным сопротивлением, которое определяет режим его работы. Его буквальный перевод с английского (переменный резистор) может ввести в некоторое заблуждение – сравнение с потенциометром или реостатом.

Варистор. Принцип и применение

Варистор Варисторы – это пассивные, биполярные, полупроводниковые приборы, которые используются для обеспечения защиты электрических и электронных схем. В отличие от предохранителя или автоматического выключателя, который обеспечивает защиту по току, варистор обеспечивает защиту от перенапряжения стабилизированным напряжением, подобно стабилизированному диоду.

Слово “варистор” является аббревиатурой и комбинацией слов “Варистор – переменный резистор”, резистор с переменным сопротивлением, которое, в свою очередь, определяет режим его работы. Его буквальный перевод с английского (переменный резистор) может ввести в некоторое заблуждение – сравнение с потенциометром или реостатом.

Однако, в отличие от потенциометра, сопротивление которого можно изменить вручную, варистор изменяет свое сопротивление автоматически при изменении напряжения на его контактах, что делает его сопротивление зависимым от напряжения, другими словами, его можно назвать нелинейным резистором.

В настоящее время резистивный элемент варистора изготавливается из полупроводникового материала. Это позволяет использовать его как в цепях переменного, так и постоянного тока.

Варистор очень похож по размеру и внешнему виду на конденсатор, и его часто путают с ним. Однако конденсатор не может подавлять пики напряжения так же, как варистор.

Не секрет, что когда в цепи питания устройства происходит скачок высокого напряжения, результаты часто бывают катастрофическими. Поэтому использование варистора играет важную роль в защите чувствительных электронных схем от перенапряжений и высоковольтных переходных процессов.

Скачки напряжения возникают в различных электрических цепях, независимо от того, питаются ли они переменным или постоянным током. Они часто возникают в самой схеме или поступают из внешних источников. Высоковольтные скачки могут быстро нарастать и достигать нескольких тысяч вольт, и именно от них должны быть защищены электронные компоненты цепи.

Одним из наиболее распространенных источников таких импульсов являются индуктивные всплески, вызванные коммутационными катушками, выпрямительными трансформаторами, двигателями постоянного тока, пики напряжения при переключении люминесцентных ламп и т.д.

Варисторы могут работать в широком диапазоне напряжений, который начинается с очень низкого значения 3 В и доходит до 200 В. Что касается тока элемента, то диапазон составляет от 0,1 до 1 А. Эти значения тока действительны только для низковольтных технических устройств.

В нормальном режиме работы варистор имеет очень высокое сопротивление, отсюда и его название, и действует подобно стабилизатору, пропуская нижние пороговые напряжения без изменений.

Однако, когда напряжение на варисторе (любой полярности) превышает номинал варистора, его эффективное сопротивление значительно уменьшается при увеличении напряжения, как показано выше.

Из закона Ома мы знаем, что вольт-амперная характеристика (IV) фиксированного резистора представляет собой прямую линию, пока R остается постоянным. Тогда ток прямо пропорционален разности потенциалов на концах резистора.

Но кривая IV варистора не является прямой линией, поскольку небольшое изменение напряжения вызывает значительное изменение тока. Типичная нормализованная кривая напряжение-ток для стандартного варистора показана ниже.

В первом случае деталь отпаивается от платы и ее сопротивление измеряется мультиметром. Переключатель должен быть установлен на максимальный диапазон измерения (достаточно 2 мегаом). Не прикасайтесь к варистору руками во время измерения, так как прибор покажет сопротивление корпуса. Если мультиметр показывает высокие значения, то ВЧ-элемент неисправен, а если нет, то замените его. После замены установите на место корпус и включите сетевой фильтр.

Типы и принцип работы

Полупроводниковые резисторы классифицируются по напряжению, поскольку это определяет область их применения. Существует только 2 типа:

1. Высоковольтные, с рабочим напряжением до 20 кВ.
2. Низковольтные, с напряжением от 3 В до 200 В.

Первый защищает силовые цепи, машины и установки; второй – радиодетали в низковольтных цепях. Принцип действия варисторов одинаков и не зависит от их типа.

В исходном состоянии он имеет высокое сопротивление, которое уменьшается при превышении номинального напряжения. Из этого следует, что, согласно закону Ома для данного участка цепи, значение тока увеличивается по мере уменьшения значения сопротивления. Варистор в этом случае работает в режиме стабилизирующего диода. При проектировании устройства и для правильной работы необходимо учитывать емкость варистора, значение которой прямо пропорционально площади его поверхности и обратно пропорционально толщине.

Чтобы выбрать подходящий элемент для защиты от перегрузки в цепях питания устройства, необходимо знать величину сопротивления источника на входе и мощность импульсов, генерируемых при коммутации. Максимальный ток, протекающий через варистор, определяет продолжительность и период повторения амплитуд напряжения.

При нормальной работе варистор имеет очень высокое сопротивление, поэтому его действие похоже на действие стабилизирующего диода. Однако, когда напряжение на варисторе превышает номинальное значение, его эффективное сопротивление значительно уменьшается, как показано на рисунке выше.

Статическое сопротивление варистора

При нормальной работе варистор имеет очень высокое сопротивление, поэтому его работа похожа на работу стабилизатора. Однако, когда напряжение на варисторе превышает номинальное значение, его эффективное сопротивление значительно уменьшается, как показано на рисунке выше.

Из закона Ома мы знаем, что ток и напряжение имеют прямую зависимость при постоянном сопротивлении. Из этого следует, что ток прямо пропорционален разности потенциалов на концах резистора.

Но вольт-амперная характеристика варистора не является прямой, поэтому небольшое изменение напряжения вызывает значительное изменение тока. Кривая напряжение-ток для типичного варистора показана ниже:

Из вышеизложенного видно, что варистор имеет симметричную двунаправленную характеристику, т.е. Варистор работает в обоих направлениях (квадрант Ι и ΙΙΙ) синусоиды, аналогично работе стабилизатора.
Когда нет скачков напряжения, в квадранте IV присутствует постоянный ток, это ток утечки всего в несколько мкА, протекающий через варистор.

Благодаря своему высокому сопротивлению варистор не оказывает влияния на цепь питания, пока напряжение находится на номинальном уровне. Номинальное напряжение (номинальное напряжение) – это напряжение, которое должно быть приложено к выводам варистора, чтобы через него протекал ток 1 мА. Значение этого напряжения, в свою очередь, зависит от материала, из которого изготовлен варистор.

При превышении классификационного напряжения варистор переходит из изоляционного состояния в электропроводящее. Когда импульсное напряжение, приложенное к варистору, становится больше номинального, его сопротивление резко уменьшается из-за лавинного эффекта в полупроводниковом материале. Небольшой ток утечки, протекающий через варистор, быстро увеличивается, но в то же время напряжение на варисторе остается чуть выше напряжения самого варистора. Другими словами, варистор стабилизирует напряжение на себе, пропуская через себя больший ток, который может достигать сотни ампер.

Варистор – это электронный прибор, сопротивление которого нелинейно изменяется в зависимости от приложенного к нему напряжения. Его вольт-амперные характеристики (ВА) аналогичны характеристикам двунаправленных диодов Зенера. Варистор состоит в основном из оксида цинка ZNO с небольшим количеством висмута, кобальта, магния и других элементов. Металлооксидные варисторы (Metal Oxide Varistor или MOV) спекаются в процессе производства в керамический полупроводник с кристаллической микроструктурой, которая обеспечивает очень высокое рассеивание энергии, поэтому варисторы часто используются для защиты от скачков напряжения, вызванных ударами молнии, связанных с переходными процессами, с индуктивными нагрузками, электростатическими разрядами в цепях переменного и постоянного тока и в промышленных линиях электропередачи. Кроме того, варисторы используются в сетях постоянного тока, например, в низковольтных источниках питания или в автомобильных системах. Процесс изготовления варисторов позволяет придавать им различные формы. Однако наиболее распространенной формой варисторов является диск с радиальными выводами.

Характеристики варистора

Корпус варистора представляет собой изотропную гранулированную структуру из оксида цинка ZnO (рис. 1). Гранулы отделены друг от друга, и их разделяющая граница имеет характер SVC, аналогичный p-n-переходу в полупроводниках. Эти интерфейсы имеют очень низкую проводимость при низких напряжениях, которая нелинейно возрастает с увеличением напряжения на варисторе.

Рисунок 1: Фотография электронного микроскопа, показывающая гранулированную структуру варистора

Симметричный VAR показан на рис. 2. Это делает варистор отличным подавителем пиков напряжения. Когда в цепи возникают такие скачки, сопротивление варистора многократно уменьшается от почти непроводящего до высокопроводящего, снижая импульс напряжения до безопасного для цепи значения. Таким образом, потенциально опасная энергия перенапряжения поглощается варистором и защищает чувствительные к перенапряжению компоненты.

Рисунок 2: Симметричная форма волны варистора

Эффект проводимости возникает там, где микропузырьки варистора вступают в контакт друг с другом. Поскольку количество гранул в объеме варистора очень велико, энергия, поглощаемая варистором, намного больше, чем энергия, которая может пройти через один p-n-переход в диоде Зенера. Когда ток протекает через варистор, весь протекающий заряд равномерно распределяется по всему объему. Поэтому количество энергии, которую может поглотить варистор, напрямую зависит от его объема. Значение рабочего напряжения варистора и максимального тока зависит от расстояния между электродами, между которыми размещены гранулы оксида цинка. Однако существует множество других технологических факторов, влияющих на эти электрические параметры: технология грануляции и спекания, которая влияет на размер гранул и их контактную поверхность, комбинация металлических выводов, покрытие варисторов, добавки сплавов. Например, диапазон рабочих температур дисковых варисторов зависит от типа покрытия диска: для варисторов с эпоксидным покрытием диапазон составляет -55 … 85°C, для варисторов с фенольным покрытием серии Littelfuse Varistors ВАРИСТОРЫ СЕРИИ C-IIIЭтот диапазон расширен до 125°C. Большинство варисторов поверхностного монтажа также имеют расширенный диапазон рабочих температур.

Давайте рассмотрим подробнее, как работают варисторы.

В своем теле он содержит гранулы среднего размера d между металлическими контактами (Рисунок 3).

Рисунок 3: Схематическое изображение микроструктуры металлооксидного варистора

Гранулы проводящего оксида цинка со средним размером гранул d разделены межзерновыми границами.

При проектировании варистора на заданное номинальное напряжение Vn основным параметром является количество гранул n, заключенных между контактами, что, в свою очередь, влияет на размер варистора. На практике этот материал характеризуется градиентом напряжения В/мм, измеренным в направлении, коллинеарном с нормалью к плоскости варистора. Для контроля состава и условий производства градиент должен быть постоянным. Поскольку физический размер варисторов имеет определенные ограничения, сочетание примесей в составе устройства позволяет получить заданный размер зерна и достичь желаемого результата.

Основным свойством варистора ZnO является почти постоянное падение напряжения на границах гранул по всему объему гранул. Наблюдения показывают, что, независимо от типа варистора, падение напряжения на границе зерен всегда составляет 2…3 В. Падение напряжения на границе гранул также не зависит от размера самих гранул. Таким образом, если не принимать во внимание различные методы производства и сплав оксида цинка, напряжение варистора будет зависеть от его толщины и размера гранул. Эта зависимость может быть легко выражена в следующей форме (уравнение 1):

alt=”49954″ width=”300″ height=”49″ />, (1)

где d – средний размер гранул.

,

Получаем данные, представленные в таблице 1.

Таблица 1: Зависимость параметров конструкции варистора от напряжения

Напряжение на варисторе Vn – это напряжение на вольт-амперной характеристике, при котором происходит переход от слабопроводящего состояния в линейной части диаграммы к нелинейному высокопроводящему состоянию. По взаимному согласию для стандартизации измерений был выбран ток 1 мА.

Хотя варисторы могут поглощать большое количество энергии в течение нескольких микросекунд, они не могут оставаться в проводящем состоянии в течение длительного времени. Поэтому в некоторых случаях, когда, например, напряжение в сети повышается до уровня отключения в течение длительного времени, варистор сильно нагревается. Перегрев может привести к пожару (Рисунок 4). Для защиты от этого явления были введены термисторы. Варистор со встроенным термистором защищен от перегрева, что продлевает срок его службы и защищает устройство от возможного возгорания.

Рисунок 4: Эффект увеличения напряжения в сети на более длительный период времени

Проведем сравнительный анализ наиболее популярных варисторов производства Littelfuse, Epcos и Fenghua с рабочим напряжением 250 и 275 В (среднеквадратичное значение переменного тока) и диаметром диска 10, 14 и 20 мм.

Как видно из таблицы 2, энергия, рассеиваемая варистором, зависит не только от его размера, но и от технологии изготовления и материалов, используемых для изготовления серии. Следует отметить, что серия промышленного класса C-III изготовленные компанией Littelfuse, заняли первое место. UltraMOV Серия также показала очень хорошие результаты, не уступая своим конкурентам, т.е. Расширенный Epcos. Также можно отметить, что варисторы C-III с меньшим размером (D = 14 мм) имеют более высокое рассеивание энергии, чем стандартная серия конкурентов с большим размером (D = 20 мм), а разница в рассеивании энергии между качественными варисторами при D = 20 мм и стандартными варисторами при D = 10 мм может отличаться на порядок.

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

Обзор варисторов Littelfuse по сериям и применению приведен в таблице 3.

Принцип работы варисторов довольно прост. Рассмотрим ситуацию, в которой варистор защищает от перенапряжения. Он подключается параллельно защищаемой цепи. В нормальном режиме работы он имеет высокое сопротивление, и ток через него очень мал. Он обладает диэлектрическими свойствами и не влияет на работу схемы. При возникновении перенапряжения варистор немедленно изменяет свое сопротивление с очень высокого на очень низкое и перегружает нагрузку. Известно, что ток идет по пути наименьшего сопротивления, поэтому варистор поглощает этот импульс и рассеивает энергию в атмосферу в виде тепла. Как только напряжение стабилизируется, сопротивление снова увеличивается, и варистор “запирается”. Надеюсь, что даже чайник понял принцип работы. Если что-то непонятно, рекомендуем посмотреть видео.

Заключение

Варистор – достаточно надежный и дешевый элемент, своего рода симплекс и универсал. Он может работать в различных условиях (цепи переменного и постоянного тока, высокие частоты) и выдерживать большие перегрузки. Он используется во всех электрических приложениях, а не только в качестве сетевого фильтра. Варисторы используются в качестве: регуляторов и стабилизаторов, ограничителей перенапряжения. Недостатки: высокий уровень шума на низких частотах, а также из-за внешних условий и старения могут изменяться его параметры.

• Основные параметры выпрямительных диодов; Школа для инженеров-электриков: Электротехника и электроника.
• Полупроводниковые диоды.
• Нелинейные электрические цепи, классификация нелинейных элементов – Основы электротехники.
• Обратный ток. Что такое возвратный ток?.
• Диоды Шоттки – устройство, типы, характеристики и применение; Школа электротехники: электротехника и электроника.
• Типы контактных соединений.
• Принцип работы транзисторов Мосфета.