Применение варисторов. Варистор: принцип работы, характеристики и применение в электронике

Что такое варистор и как он работает. Каковы основные характеристики варисторов. Где применяются варисторы в электронных схемах. Как выбрать подходящий варистор для защиты от перенапряжений.

Что такое варистор и его принцип действия

Варистор — это полупроводниковый элемент, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения. Его основная функция — защита электрических цепей от перенапряжений и импульсных помех.

Принцип действия варистора основан на нелинейной вольт-амперной характеристике:

• При низком напряжении варистор имеет высокое сопротивление и практически не пропускает ток
• При достижении порогового напряжения сопротивление варистора резко падает, и он начинает проводить ток
• Таким образом, варистор ограничивает напряжение на защищаемой цепи до безопасного уровня

Основные характеристики варисторов

Ключевыми параметрами варисторов являются:

• Классификационное напряжение — напряжение, при котором через варистор начинает протекать заметный ток (обычно 1 мА)
• Максимальное рабочее напряжение
• Максимальный импульсный ток
• Энергия рассеивания
• Емкость варистора
• Время срабатывания

Варисторы выпускаются в различных корпусах — дисковые с радиальными выводами, SMD-компоненты, мощные варисторы для монтажа на DIN-рейку.

Где применяются варисторы в электронике

Основные области применения варисторов:

• Защита входных цепей блоков питания от сетевых помех
• Защита чувствительных электронных компонентов от статических разрядов
• Ограничение перенапряжений в автомобильной электронике
• Защита телекоммуникационного оборудования
• Подавление помех в промышленных электроприводах
• Защита измерительных приборов

Как правильно выбрать варистор

При выборе варистора необходимо учитывать следующие факторы:

1. Рабочее напряжение защищаемой цепи
2. Ожидаемые уровни перенапряжений
3. Энергию импульсов помех
4. Допустимый уровень остаточного напряжения
5. Собственную емкость варистора
6. Конструктивное исполнение

Классификационное напряжение варистора выбирают на 10-15% выше максимального рабочего напряжения в цепи. Энергию рассеивания подбирают с запасом, учитывая возможные импульсные помехи.

Преимущества и недостатки варисторов

Основные достоинства варисторов как элементов защиты:

• Высокое быстродействие (единицы наносекунд)
• Способность поглощать большую энергию
• Низкая стоимость
• Простота применения

К недостаткам можно отнести:

• Деградацию характеристик при многократных перегрузках
• Относительно большую собственную емкость
• Возможность катастрофического отказа при превышении предельных параметров

Особенности конструкции варисторов

Варистор состоит из керамического полупроводникового тела на основе оксида цинка с добавками других металлов. Микроструктура представляет собой множество p-n переходов между зернами ZnO. Такая структура обеспечивает нелинейную вольт-амперную характеристику.

Основные типы конструктивного исполнения варисторов:

• Дисковые с радиальными выводами — для монтажа в отверстия печатных плат
• SMD-варисторы для поверхностного монтажа
• Мощные варисторы в корпусах для установки на DIN-рейку
• Варисторы со встроенным термопредохранителем

Сравнение варисторов с другими защитными элементами

По сравнению с другими компонентами для защиты от перенапряжений варисторы обладают следующими особенностями:

• Более высокая энергия рассеивания, чем у TVS-диодов
• Меньшее остаточное напряжение, чем у газовых разрядников
• Более высокое быстродействие, чем у плавких предохранителей
• Возможность работы в цепях постоянного и переменного тока

Оптимальный выбор защитного элемента зависит от конкретных требований схемы.

Тестирование и проверка варисторов

Для контроля состояния варисторов применяют следующие методы:

• Измерение классификационного напряжения
• Контроль тока утечки при рабочем напряжении
• Проверка времени срабатывания
• Испытание импульсами тока нормированной формы
• Термоциклирование для оценки стабильности параметров

Деградацию варисторов можно выявить по увеличению тока утечки и снижению классификационного напряжения. Для ответственных применений рекомендуется периодический контроль состояния варисторов.

Что такое варистор и для чего он нужен?

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.

• Принцип действия
• Устройство
• Основные параметры
• Маркировка и выбор варистора
• Применение в быту

Принцип действия

Варистор — это полупроводниковый прибор с симметричной нелинейной вольтамперной характеристикой. По ее форме можно сделать вывод о том, что варистор работает и в переменном и в постоянном токе. Рассмотрим её подробнее.

В нормальном состоянии ток через варистор предельно мал, его называют током утечки. Его можно рассматривать как диэлектрический компонент с определенной электрической емкостью и можно говорить, что он не пропускает ток. Но, при определенном напряжении (на картинке это + — 60 Вольт) он начинает пропускать ток.

Другими словами, принцип работы варистора в защитных цепях напоминает разрядник, только в полупроводниковом приборе не возникает дугового разряда, а изменяется его внутреннее сопротивление. При уменьшении сопротивления, ток с единиц микроампер возрастает до сотен или тысяч Ампер.

Условное графическое изображение варистора в схемах:

Обозначение элемента на схемах напоминает обычный резистор, но перечеркнутый по диагонали линией, на которой может быть нанесена буква U. Чтобы найти на плате или в схеме этот элемент – обращайте внимание на подписи, чаще всего они обозначаются, как RU или VA.

Внешний вид варистора:

Варистор устанавливают параллельно цепи для ее защиты. Поэтому при импульсе напряжения защищаемой цепи — энергия поступает не в устройство, а рассеивается в виде тепла на варисторе. Если энергия импульса слишком велика — варистор сгорит. Но понятие сгорит размазано, варианта развития два. Либо варистор просто разорвет на части, либо его кристалл разрушится, а электроды замкнутся накоротко. Это приведет к тому, что выгорят дорожки и проводники, или произойдет возгорание элементов корпуса и других деталей.

Чтобы этого избежать перед варистором, последовательно со всей цепью на сигнальный или питающий провод устанавливают предохранитель. Тогда в случае сильного импульса напряжения и долговременного срабатывания или перегорания варистора сгорит и предохранитель, разорвав цепь.

Если сказать вкратце, для чего нужен такой компонент — его свойства позволяют защитить электрическую цепь от губительных всплесков напряжения, которые могут возникать как на информационных линиях, так и на электрических линиях, например, при коммутации мощных электроприборов. Мы обсудим этот вопрос немного ниже.

Устройство

Варисторы устроены достаточно просто — внутри есть кристалл полупроводникового материала, чаще всего это Оксид Цинка (ZiO) или Карбид Кремния (SiC). Прессованный порошок этих материалов подвергают высокотемпературной обработке (запекают) и покрывают диэлектрической оболочкой. Встречаются либо в исполнении с аксиальными выводами, для монтажа в отверстия на печатной плате, а также в SMD-корпусе.

На рисунке ниже наглядно изображено внутреннее устройство варистора:

Основные параметры

Чтобы правильно подобрать варистор, нужно знать его основные технические характеристики:

1. Классификационное напряжение, может обозначаться как Un. Это такое напряжение, при котором через варистор начинает протекать ток силой в 1 мА, при дальнейшем превышении ток лавинообразно увеличивается. Именно этот параметр указывают в маркировке варистора.
2. Номинальная рассеиваемая мощность P. Определяет, сколько может рассеять элемент с сохранением своих характеристик.
3. Максимальная энергия одиночного импульса W. Измеряется в Джоулях.
4. Максимальный ток Ipp импульса. При том что фронт нарастает в течении 8 мкс, а общая его длительность — 20 мкс.
5. Емкость в закрытом состоянии — Co. Так как в закрытом состоянии варистор представляет собой подобие конденсатора, ведь его электроды разделены непроводящим материалом, то у него есть определенная емкость.
   Это важно, когда устройство применяется в высокочастотных цепях.

Также выделяют и два вида напряжений:

• Um~ — максимальное действующее или среднеквадратичное переменное;
• Um= — максимальное постоянное.

Маркировка и выбор варистора

На практике, например, при ремонте электронного устройства приходится работать с маркировкой варистора, обычно она выполнена в виде:

20D 471K

Что это такое и как понять? Первые символы 20D — это диаметр. Чем он больше и чем толще — тем большую энергию может рассеять варистор. Далее 471 — это классификационное напряжение.

Могут присутствовать и другие дополнительные символы, обычно указывают на производителя или особенность компонента.

Теперь давайте разберемся как правильно выбрать варистор, чтобы он верно выполнял свою функцию. Чтобы подобрать компонент, нужно знать в цепи с каким напряжением и родом тока он будет работать. Например, можно предположить, что для защиты устройств, работающих в цепи 220В нужно применять варистор с классификационным напряжением немного выше (чтобы срабатывал при значительных превышениях номинала), то есть 250-260В.

Это в корне не верно.

Дело в том, что в цепях переменного тока 220В — это действующее значение. Если не углубляться в подробности, то амплитуда синусоидального сигнала в корень из 2 раз больше чем действующее значение, то есть в 1,41 раза. В результате амплитудное напряжение в наших розетках равняется 300-310 В.

240*1,1*1,41=372 В.

Где 1,1 – коэффициент запаса.

При таких расчетах элемент начнет срабатывание при скачке действующего напряжения больше 240 Вольт, значит его классификационное напряжение должно быть не менее 370 Вольт.

Ниже приведены типовые номиналы варисторов для сетей переменного тока с напряжением в:

• 100В (100~120)– 271k;
• 200В (180~220) – 431k;
• 240В (210~250) – 471k;
• 240В (240~265) – 511k.

Применение в быту

Назначение варисторов — защита цепи при импульсах и перенапряжениях на линии. Это свойство позволило рассматриваемым элементам найти свое применение в качестве защиты:

• линий связи;
• информационных входов электронных устройств;
• силовых цепей.

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:

• Какие бывают помехи в электросети
• Принцип работы УЗИП
• Как сделать сетевой фильтр своими руками
• Как проверить резистор в домашних условиях

надежная защита от скачков напряжения

1 июля 2016

системы безопасноститерминалы продажавтомобильная электроникаучёт ресурсовуправление питаниемуправление двигателемпотребительская электроникаавтоматизацияответственные применениялабораторные приборыLittelfuseстатья

Варисторы

 – надежное средство для подавления скачков напряжения в первичных электрических цепях. Компания Littelfuse выпускает широкую линейку этих изделий, состоящую из нескольких серий, в числе которых – лидеры отрасли по рассеиваемой энергии, индустриальные варисторы серии C-III.

Чтобы быть уверенным в надежном функционировании разрабатываемого устройства, нужно уже на ранних этапах разработки продумать подавление скачков напряжения. Это может быть комплексной задачей, потому что электронные компоненты очень чувствительны к переходным процессам. Разработчик должен определить тип угрозы, из-за которой могут возникать скачки напряжения, и то, каким стандартам должно соответствовать устройство, исходя из области его применения. Варисторы чаще всего применяются для подавления скачков напряжения в первичных цепях. Компаний-производителей варисторов на рынке немало. Рассмотрим различные типы варисторов, остановимся на их физической сущности и сравним варисторы лидера рынка защитных компонентов – компании Littelfuse – с варисторами других популярных производителей – Epcos и Fenghua.

Варистор – электронный прибор, сопротивление которого нелинейно меняется с изменением подаваемого на него напряжения, его вольт-амперная характеристика (ВАХ) схожа с ВАХ двунаправленных диодов Зенера. Варистор состоит, в основном, из оксида цинка ZNO с небольшим содержанием висмута, кобальта, магния и других элементов. Варистор из оксида металла (Metal Oxide Varistor или MOV) спекается в процессе производства в керамический полупроводник с кристаллической микроструктурой, которая позволяет рассеивать очень большие энергии, поэтому варисторы часто используются для защиты от скачков напряжения, вызванных ударами молний, связанных с переходными процессами, с индуктивными нагрузками, электростатическими разрядами в цепях переменного и постоянного тока, а также в промышленных линиях питания. Помимо этого, варисторы используются в сетях с постоянным напряжением, например, в низковольтных источниках питания или автомобильных цепях. Процесс производства варисторов позволяет придать им разнообразную форму. Однако наиболее распространенным форм-фактором варисторов является диск c радиальными выводами.

Характеристики варистора

Тело варистора представляет собой изотропную гранулярную структуру оксида цинка ZnO (рисунок 1). Гранулы отделены друг от друга, и их граница разделения имеет ВАХ, схожую с p-n-переходом в полупроводниках. Эти границы при низких напряжениях имеют очень низкую проводимость, которая нелинейно увеличивается с увеличением напряжения на варисторе.

Рис. 1. Фотография гранулярной структуры варистора, сделанная с помощью электронного микроскопа

Симметричная ВАХ показана на рисунке 2. Благодаря ей варистор отлично справляется с подавлением скачков напряжения. Когда они появляются в цепи, сопротивление варистора уменьшается во множество раз: от почти непроводящего состояния до высокопроводящего, уменьшая импульс напряжения до безопасного для цепи значения. Таким образом, потенциально опасная для элементов цепи энергия входного импульса напряжения абсорбируется варистором и защищает компоненты, чувствительные к скачкам напряжения.

Рис. 2. Симметричная ВАХ варистора

В местах соприкосновения микрогранул варистора возникает эффект проводимости. Так как количество гранул в объеме варистора очень велико, абсорбируемая варистором энергия значительно превышает энергию, которая может пройти через единичный p-n переход в диодах Зенера. В процессе прохождения тока через варистор весь проходящий заряд равномерно распределяется по всему объему. Таким образом, количество энергии, которую может абсорбировать варистор, напрямую зависит от его объема. Величина рабочего напряжения варистора и максимального тока зависят от расстояния между электродами, между которыми находятся гранулы оксида цинка. Однако есть множество других технологических моментов, которые обуславливают эти электрические параметры: технология гранулирования и спекания, влияющая на размер гранул и их площадь соприкосновения, присоединение металлических выводов, покрытие варистора, легирующие добавки. Например, диапазон рабочих температур дисковых варисторов зависит от типа покрытия диска: у варисторов с эпоксидным покрытием диапазон -55…85°С, у фенолового покрытия, встречающегося у варисторов Littelfuse серии C-III, этот диапазон расширен до 125°С. Также расширенный диапазон рабочих температур имеет большинство серий варисторов для поверхностного монтажа.

Рассмотрим подробнее принцип работы варистора.

В его корпусе между металлическими контактами находятся гранулы со средним размером d (рисунок 3).

Рис. 3. Схематическое изображение микроструктуры металл-оксидного варистора

Токопроводящие гранулы оксида цинка со средним размером гранулы d разделены между собой межгранулярными границами.

При разработке варистора для заданного номинального напряжения Vn основным параметром является количество гранул n, заключенных между контактами, что, в свою очередь, влияет на размер варистора. На практике его материал характеризуется градиентом напряжения В/мм, измеренном в коллинеарном направлении с нормалью к плоскости варистора. Для контроля состава и условий производства градиент должен быть постоянным. Так как физические размеры варистора имеют определенные пределы, то сочетание примесей в составе прибора позволяет достичь заданного размера гранул и нужного результата.

Фундаментальным свойством ZnO-варистора является его практически постоянное падение напряжения на границах гранул во всем объеме. Наблюдения показывают, что вне зависимости от вида варистора, падение напряжения на границе соприкосновения гранул всегда составляет 2…3 В. Падение напряжения на границах гранул не зависит и от размера самих гранул. Таким образом, если опустить разные способы производства и легирования оксида цинка, то напряжение варистора будет зависеть от его толщины и размера гранул. Эта зависимость может быть легко выражена в следующем виде (формула 1):

, (1)

где d – средний размер гранулы.

Учитывая

,

получаем данные, представленные в таблице 1.

Таблица 1. Зависимость структурных параметров варистора от напряжения

Напряжение варистора Vn, В~	Средний размер гранулы, мкм	n	Градиент, В/мм при 1 мА	Толщина варистора, мм
150	20	75	150	1,5
25	80	12	39	1

Напряжение варистора Vn – это напряжение на вольт-амперной характеристике, где происходит переход из слабопроводящего состояния на линейном участке графика в нелинейный режим высокопроводящего состояния. По общей договоренности для стандартизации измерений был выбран ток 1 мА.

Несмотря на то, что варисторы могут за несколько микросекунд абсорбировать большое количество энергии, они не могут продолжительно находиться в проводящем состоянии. Поэтому в некоторых случаях, когда, например, напряжение в сети на продолжительное время увеличивается до уровня срабатывания, варистор начинается сильно греться. Его перегрев может закончиться возгоранием (рисунок 4). Для защиты от этого стали применяться термисторы. Варистор со встроенным термистором защищен от перегрева, что продлевает его срок службы и защищает устройство от возможного возгорания.

Рис. 4. Результат увеличения напряжения в сети на продолжительное время

Проведем сравнительный анализ наиболее популярных варисторов производства компаний Littelfuse, Epcos и Fenghua с рабочим напряжением 250 и 275 В (АС rms) и диаметром диска 10, 14 и 20 мм.

Как видно из таблицы 2, рассеиваемая варистором энергия зависит не только от его размеров, но и от технологии производства и материалов, которые использованы для выпуска серии. Заметим, что серия индустриального класса С-III производства компании Littelfuse вышла на первое место, серия UltraMOV тоже показала очень высокие характеристики, оказавшись на уровне конкурентов – серии Advanced производства Epcos. Также можно отметить, что варисторы C-III при меньшем габарите (D = 14 мм) имеют большую энергию рассеивания, чем стандартные серии конкурентов, имеющие большие размеры (D = 20 мм), а разница в рассеиваемой энергии между качественными варисторами в корпусе D = 20 мм и стандартными варисторами в корпусе D = 10 мм может отличаться на порядок.

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

Наименование	Производитель	Серия	D, мм	VRMS, В	Imax (8/20 мкс), А	Wmax (2 мс), Дж
V275LA40CP	Littelfuse	C-III	20	275	10000	320
V250LA40CP	Littelfuse	C-III	20	250	10000	300
B72220S2271K101, S20K275E2	Epcos	AdvanceD	20	275	10000	215
B72220S2251K101, S20K250E2	Epcos	AdvanceD	20	250	10000	195
V20E275P	Littelfuse	UltraMOV®	20	275	6500	190
V20E250P	Littelfuse	UltraMOV®	20	250	6500	170
B72220S0271K101, S20K275	Epcos	StandarD	20	275	8000	151
V275LA20CP	Littelfuse	C-III	14	275	6500	145
FNR-20K431	Fenghua	General	20	275	6500	140
B72220S0251K101, S20K250	Epcos	StandarD	20	250	8000	140
V250LA20CP	Littelfuse	C-III	14	250	6500	135
FNR-20K391	Fenghua	General	20	250	6500	130
B72214S2271K101, S14K275E2	Epcos	AdvanceD	14	275	6000	110
V14E275P	Littelfuse	UltraMOV®	14	275	4500	110
B72214S2251K101, S14K250E2	Epcos	AdvanceD	14	250	6000	100
V14E250P	Littelfuse	UltraMOV®	14	250	4500	100
FNR-14K431	Fenghua	General	14	275	4500	75
B72214S0271K101, S14K275	Epcos	StandarD	14	275	4500	71
FNR-14K391	Fenghua	General	14	250	4500	70
V275LA10CP	Littelfuse	C-III	10	275	3500	70
B72214S0251K101, S14K250	Epcos	StandarD	14	250	4500	65
V250LA10CP	Littelfuse	C-III	10	250	3500	60
B72210S2271K101, S10K275E2	Epcos	AdvanceD	10	275	3500	55
V10E275P	Littelfuse	UltraMOV®	10	275	2500	55
B72210S2251K101, S10K250E2	Epcos	AdvanceD	10	250	3500	50
V10E250P	Littelfuse	UltraMOV®	10	250	2500	50
FNR-10K431	Fenghua	General	10	275	2500	45
B72210S0271K101, S10K275	Epcos	StandarD	10	275	2500	43
FNR-10K391	Fenghua	General	10	250	2500	40
B72210S0251K101, S10K250	Epcos	StandarD	10	250	2500	38

Обзор варисторов производства компании Littelfuse c разбивкой на серии и области применения представлен в таблице 3.

Таблица 3. Области применения варисторов Littelfuse

Сегмент	Типовое применение и примеры	Серия	Технология	SMD-монтаж
Низковольтное оборудование, одноплатные устройства	Наладонные и портативные приборы, контроллеры, измерительное оборудование, компьютеры, дистанционные датчики, порты ввода/вывода и интерфейсы, медицинское оборудование	СН	MOV	+
		MA, ZA, RA, UltraMOV, CIII	MOV
		ML, MLE, MLN, MHS	MLV	+
Электросети, сетевые фильтры	Источники бесперебойного питания, измерители мощности, источники питания переменного напряжения, LED-драйверы, блоки питания, промышленные источники питания, автоматы, сетевые фильтры, бытовая электроника, управление питанием	TMOV, UltraMOV, CIII, LA, HA, HB, HG, HF, DHB, TMOV34S, RA	MOV	–
		SM20, SM7, CH	MOV	+
Автомобильная электроника	ABS, шины данных, контроллеры электродвигателей, сервоприводы, подушки безопасности, управление зеркалами, стеклоподъемниками, щетками	SM7, CH	MOV	–
		ZA, LV UltraMOV	MOV	–
		AUML, ML, MLE, MLN, MHS	MLV	+
Телекоммуникационное оборудование	Сотовые и DECT-телефоны, роутеры, модемы, сетевые карты, защита абонентского оборудования, T1/E1/ISDN, защита шин данных	SM7, CH	MOV	–
		ZA, LV UltraMOV	MOV	–
		SM20, SM7, ML, MLE, MLN, MHS	MLV	+
Мощное индустриальное оборудование	Силовые реле, соленоиды, драйверы электродвигателей, источники питания, роботы, большие двигатели/насосы/компрессоры	DA/DB, BA/BB, CA, HA, HB, HC, HG, HF, DHB, TMOV34S, CIII, UltraMOV	MOV	–

Литература

1. http://www. littelfuse.com/.
2. Electronics Circuit Protection Product Selection Guide.
3. http://www.littelfuse.com/~/media/electronics/product_catalogs/littelfuse_product_selection_guide.pdf.pdf.
4. Metal-Oxide Varistors (MOVs).
5. http://www.littelfuse.com/~/media/electronics/product_catalogs/littelfuse_varistor_catalog.pdf.pdf.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

•••

Символ варистора

и его применение | Металлооксидный варистор

Описание

Введение

Варистор представляет собой набор переменных резисторов. Это пассивный нелинейный твердотельный полупроводниковый прибор с двумя выводами.

Варистор обеспечивает защиту от перенапряжения для электрических и электронных цепей, в отличие от автоматических выключателей или предохранителей, которые обеспечивают защиту цепей от перегрузки по току. Варистор обеспечивает защиту с помощью метода ограничения напряжения, аналогичного тому, что используется в стабилитроне.

Несмотря на то, что название «варистор» происходит от термина «переменный резистор», сопротивление варистора нельзя изменять вручную, в отличие от потенциометра или реостата, где сопротивление можно изменять вручную между максимальным и минимальным значениями.

Варистор

Сопротивление варистора изменяется в зависимости от приложенного к нему напряжения. Изменение напряжения на варисторе приведет к изменению его сопротивления, что сделает его устройством, зависящим от напряжения. Отсюда варистор еще называют Резистор, зависящий от напряжения (VDR) .

Два стандартных обозначения варистора показаны ниже.

Стандартный символ IEEE для варистора

Стандартный символ IEC для варистора

Как правило, варисторы изготавливаются из полупроводниковых материалов. Характеристики напряжения и тока варистора носят нелинейный характер. Кроме того, характеристики напряжения и тока варистора подходят как для источников постоянного, так и переменного тока.

Физически варистор во многом похож на конденсатор. Из-за сходства варистор часто путают с конденсатором. Однако с точки зрения применения конденсатор не может предотвратить скачки напряжения, которые может предотвратить варистор.

Случайный выброс высокого напряжения в любой цепи может иметь катастрофические последствия. Следовательно, использование варистора для защиты деликатных и чувствительных электрических или электронных цепей от скачков высокого напряжения и коммутационных пиков очень важно.

Сопротивление варистора

Несмотря на то, что целью варистора является обеспечение сопротивления, работа варистора отличается от потенциометра или реостата. Сопротивление варистора при нормальных условиях эксплуатации очень велико.

Функционал варистора аналогичен стабилитрону, поскольку он пропускает без изменений напряжения с более низким порогом.

Функциональные возможности варистора изменяются при t высоких рабочих напряжениях . Когда напряжение, приложенное к варистору, превышает его номинальное значение, эффективное сопротивление варистора резко падает и продолжает уменьшаться по мере увеличения приложенного к нему напряжения.

Кривая, представляющая статическое сопротивление варистора в зависимости от приложенного к нему напряжения, показана ниже.

ВАХ

В соответствии с законом Ома кривая вольт-амперной характеристики резистора представляет собой прямую линию, при условии, что номинал резистора поддерживается постоянным. В этом случае ток, протекающий через резистор, прямо пропорционален напряжению, приложенному к концам резистора.

В случае варистора кривая ВАХ не является прямой линией. Это происходит из-за необычного поведения сопротивления варистора. В случае варистора небольшое изменение приложенного к нему напряжения вызовет достаточно большое изменение тока, протекающего через него.

Кривая вольтамперной характеристики варистора показана ниже.

Из приведенной выше кривой вольт-амперной характеристики видно, что варистор имеет двунаправленную симметричную характеристику. Это означает, что варистор может работать или функционировать в любом направлении или полярности синусоиды. Эта функция варистора аналогична функции встречно соединенных стабилитронов.

Кривая вольт-амперной характеристики варистора показывает линейную зависимость между током и напряжением, когда варистор не проводит ток . Это связано с тем, что ток, протекающий через варистор, остается постоянным, а его значение очень низким.

Это ток утечки в варисторе, и значение этого тока порядка нескольких миллиампер. Причиной этого является высокое сопротивление варистора. Этот небольшой ток будет оставаться постоянным до тех пор, пока напряжение, приложенное к варистору, не достигнет номинального напряжения варистора.

Номинальное напряжение варистора также называется напряжением фиксации. Номинальное напряжение варистора — это напряжение на нем, которое измеряется при заданном постоянном токе 1 мА. Далее это можно объяснить как постоянное напряжение, приложенное к клеммам варистора, которое позволяет протекать через него току в 1 миллиампер. .

Ток, протекающий через корпус варистора, зависит от материала, из которого изготовлен варистор. При этом номинальном уровне напряжения функциональность варистора начинает меняться.

До достижения номинального напряжения варистор действует как изолятор. Если приложенное напряжение варистора достигает своего номинального напряжения, поведение варистора меняется с изолирующего состояния на проводящее.

Сопротивление варистора становится очень маленьким, когда переходное напряжение, приложенное к варистору, больше или равно номинальному напряжению варистора. Это происходит из-за явления, называемого лавинным пробоем в полупроводниковых материалах.

Лавинный пробой — это форма умножения тока, позволяющая пропускать большие токи в материалах, которые ранее действовали как изоляторы. Из-за этой ситуации небольшой ток, протекающий через варистор, который является током утечки, будет быстро возрастать.

Несмотря на то, что ток, протекающий через варистор, увеличивается, напряжение на нем ограничивается значением, близким к номинальному напряжению варистора. Это означает, что варистор действует как саморегулятор приложенных к нему переходных напряжений, пропуская или позволяя большему току течь через варистор.

Следовательно, после пересечения номинального напряжения варистора вольтамперная характеристика становится крутой нелинейной кривой. Благодаря этой функции варистор может пропускать сильно меняющиеся токи в очень узком диапазоне напряжений, отсекая любые пики напряжения.

Емкость в варисторе

Когда приложенное к варистору напряжение меньше номинального или фиксирующего напряжения, варистор действует как конденсатор, а не как резистор. Основанием для такого вывода является поведение основной проводящей области варистора как диэлектрика между двумя выводами варистора.

Две клеммы и диэлектрик образуют конденсатор. Это действительно до тех пор, пока напряжение не достигнет напряжения фиксации. Каждый варистор, изготовленный из полупроводникового материала, будет иметь значение емкости. Эта величина зависит от площади варистора и обратно пропорциональна его толщине.

Поведение конденсатора варистора отличается в цепях постоянного и переменного тока. В цепях постоянного тока емкость варистора существует, когда приложенное напряжение ниже номинального напряжения варистора, и резко уменьшается, когда приложенное напряжение близко к номинальному напряжению.

При использовании варистора в цепях переменного тока важную роль играет частота. В цепях переменного тока, когда варистор работает в непроводящей области утечки, емкость варистора будет влиять на сопротивление его корпуса.

Варисторы обычно подключаются параллельно электрическим или электронным устройствам для защиты их от перенапряжения.

Благодаря этому сопротивление утечки варистора падает с увеличением частоты. Зависимость между частотой и результирующим параллельным сопротивлением приблизительно линейна. Реактивное сопротивление переменного тока XC можно рассчитать по формуле

XC = 1 / (2 × π × f × C) = 1/(2 πfC)

Здесь C — емкость, а f — частота.

Следовательно, при увеличении частоты ток утечки также увеличивается.

Металлооксидный варистор (MOV)

Для преодоления ограничений полупроводниковых варисторов, таких как варисторы из карбида кремния, были разработаны металлооксидные варисторы (MOV). Металлооксидный варистор представляет собой резистор, зависящий от напряжения. Это также нелинейное устройство, обеспечивающее очень хорошую защиту от скачков переходного напряжения.

Материал сопротивления в варисторе из оксида металла в основном состоит из зерен оксида цинка, спрессованных в виде керамической массы. Смесь состоит из 90 % зерен оксида цинка, а остальные 10 % состоят из оксидов других металлов, таких как кобальт, висмут и марганец.

Эта смесь помещается между двумя электродами (металлическими пластинами). Материал наполнителя действует как связующее вещество для зерен оксида цинка, так что компонент остается неповрежденным между двумя металлическими пластинами. Соединительные выводы металлооксидного варистора представляют собой радиальные выводы.

Металлооксидный варистор

Металлооксидные варисторы являются наиболее часто используемыми компонентами, которые используются в качестве устройств ограничения напряжения для защиты небольших или тяжелых устройств от переходных скачков напряжения. Поскольку в его конструкции используется оксид металла, способность поглощать кратковременные переходные процессы напряжения и возможности управления энергией чрезвычайно высоки.

Работа варистора на основе оксида металла и варистора на основе карбида кремния очень похожа. Металлооксидный варистор начинает проводить ток при номинальном напряжении и останавливает проводимость, если приложенное напряжение ниже порогового значения.

Основное различие между варистором из карбида кремния и варистором из оксида металла заключается в величине тока утечки. Ток утечки в MOV очень мал при нормальных условиях эксплуатации.

Причину меньших токов утечки можно объяснить следующим образом. В варисторе из оксида металла два непосредственно соседних зерна цинка образуют диодный переход между своими границами.

Следовательно, металлооксидный варистор можно рассматривать как набор огромного количества диодов, соединенных параллельно. Из-за этого, когда между электродами приложено крошечное напряжение, обратный ток утечки, возникающий через диодный переход, очень мал.

Когда приложенное напряжение увеличивается и достигает напряжения фиксации, диодный переход разрывается из-за лавинного пробоя и туннелирования электронов и пропускает через него огромный ток. Металлооксидные варисторы имеют высокие уровни нелинейных вольт-амперных характеристик.

Максимальный импульсный ток, который может выдержать варистор, зависит от ширины переходного импульса и количества повторений импульса. Типичная ширина переходного импульса находится в диапазоне от 20 микросекунд до 50 микросекунд.

Существует вероятность перегрева, если номинальный пиковый импульсный ток недостаточен. Следовательно, чтобы избежать перегрева схемы, важно быстро рассеивать энергию, поглощаемую переходным импульсом.

Защита от перенапряжения

Независимо от источника питания переменного или постоянного тока переходные скачки напряжения происходят из многих электрических источников и цепей независимо от источника питания. Это связано с тем, что переходные процессы генерируются в цепи или передаются из внешних источников в цепь.

Переходные процессы, генерируемые в цепи, могут быстро нарастать и вызывать повышение напряжения до значений в несколько тысяч вольт. Эти всплески напряжения могут вызвать серьезные проблемы с чувствительными электрическими или электронными устройствами, поэтому их появление на них необходимо предотвратить.

Вот некоторые из распространенных источников переходных процессов напряжения:

• Влияние напряжения L di / dt (Ldi/dt), возникающее в индуктивных цепях. Этот эффект обусловлен переключением катушек индуктивности и токов намагничивания в трансформаторах.
• Скачки питания.
• Переключение двигателя постоянного тока.

Варистор подключается к сети, чтобы избежать скачков напряжения. Это соединение может быть либо между фазой и нейтралью, либо между фазой и фазой в случае питания переменным током.

В случае питания постоянным током варистор подключается к источнику питания между положительной и отрицательной клеммами. В электронных схемах постоянного тока варистор можно использовать для стабилизации напряжения для защиты от импульсов перенапряжения.

Технические характеристики варистора

Ниже приведены технические характеристики типичного варистора.

Максимальное рабочее напряжение: Это пиковое установившееся постоянное напряжение или среднеквадратичное синусоидальное напряжение, которое может непрерывно прикладываться при заданной температуре.

Напряжение варистора: Это напряжение между выводами варистора при подаче определенного измеряемого постоянного тока.

Зажимное напряжение: Это напряжение между клеммами варистора с заданным импульсным током, применяемым для получения пикового напряжения.

Импульсный ток: Максимальный ток, протекающий через варистор.

Максимальная энергия: Максимальная энергия, которая рассеивается при приложении импульса переходного процесса.

Surge shift: Изменение напряжения после подачи импульсного тока.

Емкость : Измеряется, когда напряжение меньше напряжения варистора.

Ток утечки: Ток, протекающий через варистор, когда он находится в непроводящем состоянии.

Время отклика: Время между подачей номинального напряжения и переходом из непроводящего состояния в проводящее.

Применение варисторов

Варисторы используются почти во всех тяжелых электрических цепях для небольших электронных конструкций. Варисторы обеспечивают защиту от перенапряжения как в цепях переменного, так и постоянного тока.

Некоторые из приложений:

1. Для защиты электрических цепей от перенапряжения. На следующей схеме показано подключение металлооксидного варистора для обеспечения защиты однофазной линии от линии.

Следующая схема аналогична, за исключением того, что она также обеспечивает защиту линии от земли.

2. В электронных схемах устройства очень чувствительны к изменениям напряжения. Поэтому используется варистор. На следующей схеме показан типичный варистор, защищающий транзистор.

3. Для защиты от перенапряжения двигателей переменного или постоянного тока.

Ограничения варистора

Когда варистор используется в ограничителе переходных перенапряжений, он может не обеспечивать защиту питания устройства. Это связано с тем, что наличие варистора в данной ситуации вызовет проблемы с оборудованием и самим устройством.

Варистор не может обеспечить защиту от следующих

1. Скачки тока при запуске устройства
2. Ток от короткого замыкания.
3. От провалов или провалов напряжения.

Варисторы: определение, применение, типы, принцип работы, схема

Будучи формой резистора, варисторы представляют собой полупроводниковые компоненты с двумя выводами, которые защищают электрические и электронные устройства от переходных перенапряжений. Фактически, это слово происходит от термина «переменный» и «резистор», поэтому он также известен как резистор, зависящий от напряжения, VDR. Варисторы имеют нелинейное переменное сопротивление, зависящее от приложенного напряжения. Их основная функция заключается в защите переходного напряжения в цепи.

Сегодня вы познакомитесь с определением, применением, функциями, схемой, символом, техническими характеристиками, характеристиками, типами и работой варисторов.

Read more: Understanding resistors

Contents

Что такое варистор?

Варисторы считаются разновидностью резисторов, сопротивление которых значительно изменяется в результате приложенного напряжения. Они представляют собой резисторы, зависящие от напряжения, VDR, а их сопротивление является переменным и зависит от приложенного напряжения, поэтому их название «переменный резистор». При увеличении напряжения их сопротивление уменьшается, а при чрезмерном увеличении напряжения их сопротивление резко падает. Следовательно, варисторы являются защитными электрическими устройствами, поскольку они подходят для защиты цепей во время скачков напряжения.

Итак, варистор можно определить как нелинейный двухэлементный полупроводник, сопротивление которого падает при увеличении напряжения. Они часто используются в качестве ограничителей перенапряжения для чувствительных цепей. Перенапряжения часто вызываются ударами молнии и электростатическими разрядами.

Дополнительная информация: Резисторы SMD (резисторы для поверхностного монтажа)

Применение варисторов

Как уже говорилось ранее, варисторы используются в качестве устройств защиты от перенапряжения из-за их нелинейных характеристик. Они также используются в удлинителях с защитой от перенапряжения для защиты от переходных процессов высокого напряжения, таких как удары молнии, электростатический разряд (ESD) или индуктивный разряд от двигателя или трансформаторов. Некоторые типы РДР предназначены для защиты линий связи с малой емкостью. Ниже приведены некоторые распространенные области применения варистора:

• Подавление переходных процессов в оборудовании радиосвязи.
• Устройства защиты от перенапряжений для систем кабельного телевидения.
• Удлинители для защиты от перенапряжения.
• Защита телефонных и других линий связи.
• Защита микропроцессора.
• Защита электронного оборудования.
• Промышленная защита от переменного тока высокой мощности.
• Защита электроники автомобиля.
• Защита от низкого напряжения на уровне платы.

Кроме того, при применении варисторов они могут обеспечить защиту электронных схем, которые могут подвергаться воздействию импульсов и скачков напряжения. Кроме того, они могут отводить энергию на землю и таким образом защищать оборудование. VDR используется во многих элементах, таких как розетки с защитой от перенапряжения и связанные с ними элементы. Наконец, в некоторых случаях они используются в качестве микроволновых смесителей для модуляции, обнаружения, а также преобразования частоты.

Что такое схематическая диаграмма? — Электро…

Пожалуйста, включите JavaScript

Что такое принципиальная схема? — Учебники по электрике и ПЛК

Подробнее: Знакомство с металлопленочным резистором

Символ варистора

Символ варисторной цепи очень похож на термистор. Он состоит из основного символа резистора в виде прямоугольника с диагональной линией, проходящей через него, которая имеет небольшой дополнительный участок, параллельный телу символа резистора, что указывает на нелинейный характер варистора. Хотя могут использоваться и некоторые другие символы, показанный ниже является общепринятым. Он изображается в виде переменного резистора, зависящего от напряжения, U.

См. условное обозначение варистора ниже:

Характеристики

Ниже приведены основные характеристики варистора:

• Нелинейное переменное сопротивление
• Высокое пороговое сопротивление при номинальном напряжении или низкое сопротивление пробоя при напряжении
9013 превышен.
• Защита цепи от чрезмерных переходных напряжений.
• Варисторы проводят и фиксируют переходное напряжение до безопасного уровня, когда возникают переходные процессы высокого напряжения.
• Входящая импульсная энергия частично проводится и поглощается.
• Спеченная матрица зерна оксида цинка ZnO в конструкции металлооксидного варистора обеспечивает полупроводниковую характеристику P-N перехода.
• Небольшой ток при подаче низкого напряжения
• Варисторы обеспечивают защиту от короткого замыкания.
• Они не могут справиться с длительными перенапряжениями.
• Если энергия переходного процесса измеряется в джоулях Дж, превышены абсолютные максимальные значения, поэтому устройство может расплавиться, сгореть или взорваться.
• Некоторые параметры выбора включают фиксацию, напряжение, пиковый ток, максимальную энергию импульса, номинальное переменное/постоянное напряжение и ток в режиме ожидания.
• При использовании в линиях связи следует учитывать паразитную емкость.
• Высокая емкость действует как фильтр для высокочастотных сигналов или вызывает перекрестные помехи. Это ограничивает доступную полосу пропускания линии связи.
• Варисторы изнашиваются под воздействием повторяющихся скачков напряжения, и их фиксирующее напряжение уменьшается после каждого скачка напряжения.

Подробнее: Резистор из углеродистого состава

Технические характеристики

При выборе варистора для приложений необходимо учитывать несколько моментов. ниже приведены некоторые характеристики варисторов и их функции:

Напряжение фиксации – напряжение, при котором варистор начинает проявлять значительную проводимость.

Номинальное напряжение – указывается как переменное или постоянное напряжение и является максимальным напряжением, при котором может использоваться устройство. Обычно важно иметь хороший запас между номинальным напряжением и рабочим напряжением.

Пиковый ток — это максимальный ток, который может выдержать варистор. Это может быть выражено как ток для данного времени.

Максимальная энергия импульса – максимальная энергия импульса. Выражается в джоулях, что устройство может рассеивать.

Время отклика – это время, в течение которого варистор начинает проводить ток после подачи импульса. Хотя во многих случаях это не проблема.

Емкость – варистор на основе оксида металла имеет относительно высокую емкость в устройстве. Это не проблема для низкочастотных приложений, но могут возникнуть проблемы при использовании с линиями, передающими данные и т. д.

Ток в режиме ожидания – это уровень тока, потребляемого варистором, когда он работает ниже напряжения фиксации. хотя ток будет указан при заданном рабочем напряжении на устройстве.

Подпишитесь на наш информационный бюллетень

Подробнее: Знакомство с резисторами из углеродной пленки

Типы варисторов

Различные типы варисторов можно определить по материалу, из которого изготовлен их корпус. Двумя наиболее распространенными типами варисторов являются варистор на основе карбида кремния и варистор на основе оксида металла (MOV) 9.0003

Варистор из карбида кремния:

Как видно из названия, карбид кремния, корпус варистора изготовлен из карбида кремния (SIC). Это один из наиболее часто используемых в период до того, как MOV вышел на рынок. Однако они интенсивно используются в приложениях большой мощности и высокого напряжения. Одним из недостатков этих типов варисторов является значительный ток в режиме ожидания, который они потребляют, поэтому для ограничения потребляемой мощности в режиме ожидания требуется последовательный разрядник.

Металлооксидные варисторы (MOV):

Металлооксидные варисторы имеют преимущества перед варисторами из карбида кремния, поскольку они обеспечивают очень хорошую защиту от скачков напряжения. Они довольно популярны, и их корпус сделан из оксида металла, часто из зерен оксида цинка. Материал прессуется в виде керамической массы, содержащей 90 % зерен оксида цинка и 10 % оксидов других металлов, таких как кобальт, висмут и марганец.

Затем он помещается между двумя металлическими пластинами. 10% оксидов металлов кобальта, висмута и марганца действуют как связующее вещество для зерен оксида цинка, так что он остается неповрежденным между двумя металлическими пластинами. Соединительные клеммы или провода подключаются к двум металлическим пластинам.

Подробнее: Понимание ультраконденсаторов

Принцип работы

Работа варистора менее сложна и ее легко понять. Как упоминалось ранее, они используются для защиты от перенапряжений во многих областях, где они размещаются поперек защищаемых линий или на землю от линии. Обычно устройство потребляет небольшой ток, но когда возникает всплеск, его напряжение поднимается выше колена или напряжения фиксации, и они потребляют ток, рассеивая таким образом всплеск и защищая оборудование. Фактический выброс частично поглощается варистором, а частично отводится.

Варисторы из оксида металла и карбида кремния воздействуют на границы зерен между зернами материала и действуют как PN-переходы. Компоненты действуют как большая масса маленьких диодов, соединенных последовательно и параллельно. Когда приложено низкое напряжение, протекает очень небольшой ток, потому что переходы смещены в обратном направлении, и единственным током является ток утечки. Когда в устройстве возникает скачок напряжения, превышающий напряжение фиксации, происходит лавинный пробой диодов, и через устройство может протекать большой ток.

Кроме того, варисторы подходят для кратковременных импульсов и не могут использоваться для обработки длительных перенапряжений. Размер устройства определяет количество энергии, которое они могут рассеивать. Превышение номинального периода или напряжения может привести к перегоранию или даже взрыву устройств. Вот почему они должны работать в пределах своих рейтингов.

Посмотрите видео ниже, чтобы узнать больше о работе варисторов:

Подробнее: Конденсатор

Заключение

Варисторы считаются формой резисторов, в которых сопротивление значительно изменяется в результате приложенного напряжения. Они представляют собой резисторы, зависящие от напряжения, VDR, а их сопротивление является переменным и зависит от приложенного напряжения, поэтому их название «переменный резистор». Являясь формой резистора, они представляют собой полупроводниковые компоненты с двумя выводами, которые защищают электрические и электронные устройства от переходных процессов перенапряжения. Это все для этой статьи, где обсуждаются определение, применение, функции, схема, символ, спецификации, характеристики, типы и работа варисторов.