Варистор назначение. Варистор: принцип работы, устройство и применение для защиты электрооборудования

Что такое варистор и как он работает. Для чего используются варисторы в электронике. Как устроен варистор и каковы его основные характеристики. Преимущества и недостатки варисторов для защиты от перенапряжений.

Что такое варистор и принцип его работы

Варистор — это полупроводниковый резистор с нелинейной вольт-амперной характеристикой. Его главная особенность заключается в том, что при повышении напряжения выше определенного уровня сопротивление варистора резко падает.

Принцип работы варистора основан на следующем механизме:

• При нормальном рабочем напряжении варистор имеет высокое сопротивление и практически не пропускает ток
• При возникновении импульса перенапряжения сопротивление варистора резко снижается до долей Ома
• Варистор шунтирует защищаемую цепь, отводя на себя опасный импульс тока
• Поглощенная энергия рассеивается в виде тепла
• После подавления импульса варистор вновь приобретает высокое сопротивление

Таким образом, варистор «срезает» опасные импульсы напряжения, не влияя на работу оборудования при нормальных условиях. Это позволяет эффективно защищать электронные устройства от перенапряжений в сети.

Устройство и конструкция варисторов

Конструктивно варистор представляет собой керамический диск или шайбу, изготовленную из полупроводникового материала. Наиболее распространенные материалы для производства варисторов:

• Оксид цинка (ZnO)
• Карбид кремния (SiC)

Технология изготовления варисторов включает следующие этапы:

1. Прессование порошка полупроводникового материала в форме диска
2. Высокотемпературный обжиг
3. Нанесение металлических электродов
4. Пайка выводов
5. Нанесение изоляционного и влагозащитного покрытия

Такая технология позволяет изготавливать варисторы различных типоразмеров и характеристик, в том числе по индивидуальным заказам.

Основные характеристики и параметры варисторов

При выборе и применении варисторов учитывают следующие основные параметры:

• Классификационное напряжение — напряжение, при котором через варистор начинает протекать ток 1 мА
• Максимальное длительное рабочее напряжение (постоянное и переменное)
• Максимальный импульсный ток
• Энергия поглощения одиночного импульса
• Емкость варистора
• Время срабатывания
• Рабочий диапазон температур

Важнейшей характеристикой является вольт-амперная характеристика (ВАХ) варистора, определяющая его нелинейные свойства.

Применение варисторов для защиты электрооборудования

Варисторы широко применяются для защиты различного электрооборудования от импульсных перенапряжений:

• Защита линий электропередачи и трансформаторов
• Защита электронных блоков питания
• Защита полупроводниковых приборов
• Защита измерительных приборов
• Подавление помех в цепях управления и связи
• Защита бытовой техники и электроники

Варисторы включаются параллельно защищаемому оборудованию или участку цепи. При возникновении опасного импульса перенапряжения варистор срабатывает и шунтирует защищаемый объект.

Преимущества и недостатки варисторной защиты

К основным преимуществам варисторов как средства защиты от перенапряжений относятся:

• Высокое быстродействие (время срабатывания менее 25 нс)
• Способность поглощать большую энергию импульсов
• Отсутствие влияния на работу защищаемых цепей в нормальном режиме
• Простота применения
• Низкая стоимость
• Длительный срок службы

Среди недостатков варисторной защиты можно отметить:

• Возможность деградации характеристик при частых срабатываниях
• Необходимость правильного выбора параметров для конкретных условий
• Ограниченный ресурс при воздействии мощных импульсов

Как правильно выбрать варистор для защиты

При выборе варистора для защиты оборудования необходимо учитывать следующие факторы:

1. Величину рабочего напряжения защищаемой цепи
2. Амплитуду и энергию возможных импульсов перенапряжения
3. Допустимый уровень ограничения напряжения
4. Требуемую энергоемкость
5. Условия эксплуатации (температура, влажность и т.д.)

Классификационное напряжение варистора должно быть на 10-15% выше максимального рабочего напряжения защищаемой цепи. Это обеспечит отсутствие влияния варистора в нормальном режиме.

Энергия поглощения и максимальный импульсный ток варистора должны соответствовать параметрам возможных перенапряжений с некоторым запасом.

Схемы включения варисторов для защиты оборудования

Существует несколько основных схем включения варисторов для защиты оборудования от перенапряжений:

• Параллельное подключение варистора к защищаемой цепи
• Последовательное включение варистора и предохранителя
• Параллельно-последовательное включение нескольких варисторов
• Комбинированные схемы с разрядниками и другими элементами

Выбор конкретной схемы зависит от параметров защищаемого оборудования и характера возможных перенапряжений. Для ответственного оборудования часто применяют многоступенчатые схемы защиты.

Маркировка и обозначение варисторов

Маркировка варисторов обычно содержит следующую информацию:

• Тип варистора (например, MOV — metal oxide varistor)
• Диаметр корпуса в миллиметрах
• Классификационное напряжение
• Допуск на напряжение

Например, маркировка 14D471K означает:

• 14 — диаметр 14 мм
• D — дисковый корпус
• 471 — классификационное напряжение 470 В
• K — допуск ±10%

На схемах варисторы обозначаются символом резистора, перечеркнутого диагональной линией или буквой U.

Проверка и диагностика варисторов

Для проверки исправности варистора можно использовать следующие методы:

1. Визуальный осмотр на предмет механических повреждений и следов перегрева
2. Измерение сопротивления мультиметром при низком напряжении
3. Проверка ВАХ с помощью специальных приборов
4. Измерение тока утечки при рабочем напряжении

Признаками неисправности варистора являются:

• Низкое сопротивление при малом напряжении
• Отсутствие нелинейности ВАХ
• Повышенный ток утечки
• Следы оплавления или растрескивания корпуса

При обнаружении неисправности варистор подлежит замене. Ремонт варисторов обычно не производится.

устройство, принцип действия и назначение

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

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:

Варистор. Назначение, устройство и принцип работы

Варистор — это двухполюсное полупроводниковое устройство, которое защищает электрические и электронные устройства от переходных перенапряжений. Его сопротивление зависит от приложенного входного напряжения.

Слово варистор образовалось из двух слов «переменный» (variable) и резистор. Он также известен как резистор, зависящий от напряжения (voltage-dependent resistor VDR), сопротивление которого изменяется автоматически в зависимости от напряжения на нем.

Он всегда подключается параллельно с защищаемым устройством, так как его основная задача это защита электрической цепи от скачков напряжения.

На рисунке ниже показано представление варистора на электрических схемах:

Или более привычное нам изображение другого стандарта:

Они в основном используются для защиты цепи от колебаний высокого напряжения.

Устройство варистора

Варисторы «образуются», когда кристаллы карбида кремния или оксидов металлов вдавливаются в керамический материал.

Затем спекание материала проводится при высокой температуре после его высыхания. Электрические характеристики устройства зависят от температуры и атмосферных условий.

Чтобы иметь хорошо проводимые электрические контакты, контакты материала металлизированы серебром или медью. Затем провода припаиваются к контактам.

На рисунке ниже показан дисковый варистор:

В настоящее время это наиболее распространенные ограничители напряжения, которые можно использовать для широкого диапазона напряжений. Это нелинейное устройство, которое поглощает разрушающую энергию и рассеивает ее в виде тепла, чтобы предотвратить повреждение системы.

Обычно при его изготовлении используется оксид цинка, поэтому его также называют варистором на основе оксида металла.

На рисунке ниже показана структура металлооксидного варистора:

Здесь полупроводниковый элемент на 90% состоит из оксида цинка, а остальное — наполнитель, который образует соединение. Стандартный карбид кремния отличается от металлооксидного варистора тем, что MOV демонстрирует меньший ток утечки и его рабочая скорость выше.

Эксплуатация и характеристика варистора

Прежде чем приступить к изучению его работы, давайте сначала поймем связь между напряжением и сопротивлением варисторов.

На рисунке ниже показана зависимость сопротивления от напряжения для варистора:

Варисторы проявляют необычное поведение в случае изменения сопротивления. Здесь, как мы видим, когда напряжение малое, сопротивление на нем высокое. Но сопротивление быстро падает с ростом напряжения выше номинального напряжения (нелинейная зависимость).

Давайте теперь рассмотрим подробную работу варистора:

Когда на устройство подается малое напряжение, оно обеспечивает высокое сопротивление, из-за которого через него протекает очень малый ток. Когда напряжение увеличивается — ток увеличивается ввиду падения сопротивления элемента.

В этом и есть ключевая особенность работы варисторов. Таким образом, при малых напряжениях устройство ведет себя как изолятор, а с повышением напряжения начинает вести себя как проводник.

На рисунке ниже показана вольт-амперная характеристика варистора:

Как мы видим на графике, пока напряжение срабатывания не будет достигнуто, устройство остается в непроводящем состоянии. Таким образом, мы можем видеть линейную зависимость между напряжением и током. В это время через него протекает ток утечки очень малого значения из-за высокого сопротивления.

Однако после превышения напряжением уровня срабатывания варистор меняет свое состояние и становится проводником. Таким образом, мы видим, что сопротивление стало очень малым, и через него течет большой ток, даже после того, как напряжение ограничено после номинального напряжения.

Достоинства варисторов

• Обеспечивает превосходную защиту от перенапряжения.
• Поскольку он не показывает полярный эффект, легко достичь двунаправленности.

Недостатки варисторов

• Его стоимость довольно высока.

Применение варисторов

Они имеют очень широкое применение в защитных устройствах, таких как защита линий связи, защита микропроцессоров и источников питания, кабельного телевидения от и других электронных схем от перенапряжения.

Варисторная защита, искрогасящие цепи, назначение, технические характеристики, схемы применения.

Назначение. Для защиты электрической сети от перенапряжения существуют различные приборы, выпускаемые промышленностью в разных странах. А для защиты от кратковременных бросков элементов схем, которые происходят в сети по различным причинам, применяют так называемые варисторы, у которых вольт-амперная характеристика резко меняется при прикладывании к нему величины напряжения, свыше определенного значения на которой рассчитан прибор.

 В повседневной жизни обычно мы не обращаем внимания, какие проблемы испытывает наше современное электронное оборудование, включенное в электрическую сеть. Для нормального функционирования приборов необходимо качественное напряжение, как по величине, частоте, так и по форме напряжения. Наше современная электронное оборудование стоит достаточно дорого, оно не всегда может противостоять скачкам напряжения, помехам возникающим в сети, поэтому вопросу защиты оборудование от подобного рода воздействий необходимо уделять внимание. Для защиты электронной техники применяются, ограничители перенапряжения, сетевые фильтры, стабилизаторы напряжения.

Из статьи авторы: Трегубов С.В., к.т.н.Пантелеев В.А., к.т.н.Фрезе О.Г

Применение варисторной защиты, искрогасящие цепи

..Причиной возникновения грозовых импульсов напряжения являются удары молнии в электроустановку или вблизи нее.
По данным материалов полученных в США значения напряжения коммутационных импульсов даже в бытовых сетях могут достигать 20 кВ. Примерно такие же данные приводят японские, французские и другие исследователи. Исследования, проведенные нами по эксплуатации промышленного электрооборудования в сетях 0.4 кВ, позволяют утверждать, что, например, при тяжелых условиях коммутации силовых электродвигателей значение напряжения коммутационных импульсов может превышать 70 кВ. Нет необходимости говорить о последствиях такого воздействия на электрооборудование. Положение часто осложняется тем, что во многих случаях эксплуатация электрических машин производится в тяжелых условиях (загрязнение, увлажнение изоляции, частые пуски и остановки агрегатов), что обуславливает особую уязвимость изоляции электрооборудования из-за ее ускоренного износа и уменьшения электрической прочности.
Для защиты оборудования от импульсных напряжений в разных странах применяются вентильные разрядники, RC-цепочки, LC-фильтры и т.д. Однако в последние десятилетия во всем мире наиболее эффективным (и дешевым) средством защиты от импульсных напряжений любого вида признано использование нелинейных полупроводниковых резисторов, называемых варисторами. Отличительной чертой варистора является симметричная и резко выраженная нелинейная вольтамперная характеристика (ВАХ — см. рис.1).

За счет этого варисторы позволяют просто и эффективно решать задачи защиты различных устройств от импульсных напряжений. Основной принцип действия варистора весьма прост. Варистор включается параллельно защищаемому оборудованию, т.е. при нормальной эксплуатации он находится под действием рабочего напряжения защищаемого устройства. В рабочем режиме (при отсутствии импульсных напряжений) ток через варистор пренебрежимо мал, и поэтому варистор в этих условиях представляет собой изолятор.
При возникновении импульса напряжения варистор в силу нелинейности своей характеристики резко уменьшает свое сопротивление до долей Ома и шунтирует нагрузку, защищая ее, и рассеивая поглощенную энергию в виде тепла. В этом случае через варистор кратковременно может протекать ток, достигающий нескольких тысяч ампер. Так как варистор практически безынерционен, то после гашения импульса напряжения он вновь приобретает очень большое сопротивление. Таким образом, включение варистора параллельно электрооборудованию не влияет на его работу в нормальных условиях, но «срезает» импульсы опасного напряжения, что полностью обеспечивает сохранность даже ослабленной изоляции (см. рис 2).

Наиболее широкое применение находят варисторы на основе оксида цинка, что обусловлено, во-первых, относительной простотой их изготовления и, во-вторых, хорошей способностью оксида цинка поглощать высокоэнергетические импульсы напряжения. Варисторы изготавливают по обычной «керамической» технологии, включающей в себя прессование варисторов (чаще всего имеющих форму диска или шайбы), их обжиг, нанесение электродов, пайку выводов и нанесение электроизоляционных и влагозащитных покрытий. Такая технология в ряде случаев позволяет предприятиям-изготовителям выпускать варисторы по индивидуальным заказам…

Технические характеристики

Для получения информации о характеристиках используемых варисторных защит, приводим данные выпускаемых изделий промышленностью.
Устройством защиты от импульсного перенапряжения АЛЬБАТРОС-220/500 АС обеспечивается:

• Защита от импульсного, быстротекущего перенапряжения амплитудой до 10 кВ без перегорания предохранителя;
• Защита от импульсного аварийного значительного превышения напряжения, в этом случае происходит перегорание одного или обоих предохранителей.

Номинальное напряжение питания нагрузки, В	220 (+10/-15%)
Номинальная мощность нагрузки, Вт	500
Наибольший импульсный разрядный ток (импульс 8/20 мкс)*, кА	10
Скорость срабатывания защиты, нс, не более	25
Температурный диапазон эксплуатации, °C	-40… +40
Габаритные размеры, мм, не более	50х44х30
Масса, кг, не более	0,02

* 8 мкс — длительность нарастания импульса; 20 мкс — длительность спада импульса.

По теме полезное. Схема подключения варистора в сетевом фильтре. Советы: Схемы подключения

Варистор принцип работы

Варистором называются полупроводниковые резисторы, которые способны уменьшать сопротивление в 10 раз от начальной величины с помощью увеличения напряжения. Например, если резистор имеет сопротивление 1000 МОм, то с применением данного элемента оно составит 1000 Ом. Таким образом, сопротивление уменьшается в том случае, когда увеличивается напряжение.

Принцип действия варистора

Варисторная защита подключается параллельно основному оборудованию, которое необходимо защитить. После возникновения импульса напряжения, благодаря наличию нелинейной характеристики, варистор шунтирует нагрузку и уменьшает величину сопротивления до нескольких долей Ома. Энергия, при перенапряжении, поглощается и рассеивается в виде тепла. Варистор как бы срезает импульс опасного перенапряжения, поэтому защищаемое устройство остается невредимым, что возможно даже с низким уровнем изоляции.

Рис. №1. Конструктивная схема варистора и его характеристика.

Условное обозначение варистора, например, СНI-1-1-1500. СН означает, нелинейное сопротивление, первая цифровое значение – материал, вторая – конструкцию ( 1- стержневой; 2 – дисковый), третья цифра – номер разработки, последняя цифра обозначает значение падения напряжения.

Таблица классификации варисторов

Как выглядит элемент?

Такое приспособление, как варистор, фото которого есть в нашей статье, напоминает обычный резистор, то есть имеет форму прямоугольника. Но все же имеет небольшое отличие.

Посреди него проходит диагональ, конец которой изогнут.

Как маркируется варистор?

На сегодняшний день можно встретить разные обозначения этих приборов. Каждый производитель вправе устанавливать ее самостоятельно. Маркировки различаются, потому что технические характеристики варисторов отличаются друг от друга. Примерами могут служить такие показатели, как допустимое напряжение или необходимый уровень тока.

В настоящее время каждый производитель устанавливает свою маркировку на эти типы приборов. Это объясняется тем, что производимые приборы имеют разные технические характеристики. Например, предельно допустимое напряжение или необходимый для функционирования уровень тока. Наиболее популярная маркировка – CNR, к которой прикрепляется такое обозначение, как 07D390K. Что же это значит? Итак, само обозначение CNR указывает на вид прибора. В этом случае варистор является металлооксидным.

Далее, 07 – это размер устройства в диаметре, то есть равный 7 мм. D – дисковое устройство, и 390 – максимально допустимый показатель напряжения.

Основные параметры варисторов

К таким параметрам относят:

• норма напряжения;
• максимально допустимый показатель переменного и постоянного тока;
• пиковое поглощение энергии;
• возможные погрешности;
• время работы элемента.

Конструктивные особенности варисторов

Наиболее технологически востребованные материалы для изготовления варистора оксид цинка или порошок карбида кремния, он позволяет успешно поглощать импульсы напряжения с высокоэнергетическими импульсами. Процесс изготовления строится на основе «керамической» технологии, которая заключается на запрессовке элементов с обжигом, установкой электродов, выводов и покрытие приборов электроизоляцией и влагозащитным слоем. Благодаря стандартной технологии варисторы можно делать по индивидуальному заказу.

Диагностика

Чтобы проверить данное электронное устройство, используют специальное оборудование, которое называется тестером. Итак, для проведения испытания понадобится варистор, принцип работы которого заключается в изменении параметров сопротивления, и тестирующее устройство. Перед его началом необходимо включить устройство и переключить в режим сопротивления. Только тогда аппарат будет отвечать всем необходимым техническим требованиям, и величина сопротивления будет огромной.

Перед началом проведения испытаний необходимо проверить техническое состояние прибора. В первую очередь следует посмотреть на его внешний вид. На приборе не должно быть трещин, а также признаков того, что он сгорел. Не стоит относиться к осмотру аппарата халатно, так как любая небольшая поломка может привести к возникновению неприятных обстоятельств.

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.

Варисторы: применение

Такие приборы играют важную роль в жизни человека.

Из всего вышеперечисленного можно сказать, что варистор, принцип работы которого заключается в защите электроники от высокого напряжения в сети, 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.

Отрицательные стороны

К основным отрицательным сторонам относятся:

• повышение шума на низких частотах;
• другие недостатки, проявляющиеся в зависимости от индивидуальных характеристик элемента.

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:

• высокая скорость работы элемента;
• возможность отслеживания перепадов тока безинерционным методом;
• возможность использования на уровне напряжения в пределах от 12 до 1800 В;
• длительный срок эксплуатации;
• относительно малая стоимость за счет простоты конструкции.

Подбор варистора

Чтобы правильно подобрать варистор для определенного устройства необходимо знать характеристики его источника питания: сопротивление и мощность импульсов переходных процессов. Максимально допустимое значение тока определяется в том числе длительностью его воздействия и количеством повторений, поэтому при установке варистора с заниженным значением пикового тока, он достаточно быстро выйдет из строя. Если говорить кратко, то для эффективной защиты прибора необходимо выбирать варистор с напряжением, имеющим небольшой запас к номинальному.

Также для безотказной работы такого электронного компонента очень важна скорость рассеивания поглощенной тепловой энергии и возможность быстро возвращаться в состояние нормальной работы.

Модуль варисторов МВ-3М | Электротехническая Компания Меандр

 

• Применяется для защиты трёхфазного электрооборудования от коммутационных перенапряжений

• Максимальная энергия поглощения 190Дж (импульс 8/20мкс)

• Максимальный ток 6,5кА

• Корпус шириной 13мм

• В модуле используются варисторы типа 20D681К (680В)

 

НАЗНАЧЕНИЕ МОДУЛЯ

 Модуль варисторов МВ-3М предназначен для обеспечения качественного электропитания в трёхфазных сетях с высоким уровнем импульсных помех индустриального и атмосферного характера.
 

КОНСТРУКЦИЯ МОДУЛЯ

 Модуль выпускается в унифицированном пластмассовом корпусе с передним присоединением проводов питания и коммутируемых электрических цепей. Крепление осуществляется на монтажную рейку-DIN шириной 35мм (ГОСТ Р МЭК 60715-2003) или на ровную поверхность. Для установки модуля на ровную поверхность замки необходимо раздвинуть. Конструкция клемм обеспечивает надёжный зажим проводов сечением до 2,5мм².

 

РАБОТА МОДУЛЯ

 Каждая из фаз сетевого напряжения подключается к соответствующим клеммам модуля варисторов — L1, L2, L3. К клемме N подключается нулевой провод. В случае трёхпроводной сети нулевой провод не подключается.При подключении проверить затяжку винтов крепления клемм и надёжность фиксации корпуса модуля на рейке. В модуле используются варисторы типа 20D681К (680В)

 

ВНИМАНИЕ: Не заменяют УЗИП!

 

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МВ-3М

Параметр	Ед.изм.	МВ-3М
Количество защищаемых цепей		3
Класиификационное напряжение	В	680 (612-748)
Максимальное напряжение ограничения (при токе 100А)	В	1120
Среднеквадратичное значение напряжения, URMC	В	420
Максимальное постоянное напряжение	В	560
Максимальный ток разряда (импульс 8/20мкс)	кА	6,5
Максимальный разрядный ток (импульс 8/20мкс)	кА	3,0
Энергия поглощения (импульс 10/1000 мкс)	Дж	230
Максимальная рассеиваемая мощность	Вт	1,0
Степень защиты по корпусу/по клеммам в соответствии с ГОСТ 14254-96		IP40/IP20
Климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ 15150-69 (без образования конденсата)		УХЛ4
Диапазон рабочих температур	0C	-25…+55
Степень загрязнения в соответствии с ГОСТ 9920-89		2
Монтажное положение		произвольное
Габаритные размеры	мм	13х93х62
Масса, не более	кг	0,12

 

СХЕМА ПОДКЛЮЧЕНИЯ МОДУЛЯ

 

Вариант защиты до IP40

 

ГАБАРИТНЫЕ РАЗМЕРЫ

 

Изделия соответствуют требованиям ГОСТ IEC 61051-2-2013

Форум и обсуждения  —  здесь

 

Наименование	Заказной код (артикул)	Файл для скачивания (паспорт)	Дата файла
МВ-ЗМ УХЛ4	4640016937028		v17.01.19

 

Проверка варистора: нахождение неисправности мультиметром

Ремонт и диагностика неисправностей радиоэлектронных устройств происходит путём нахождения вышедших из строя элементов с последующей их заменой. Визуально определить, какая радиодеталь неисправна, часто не представляется возможным, поэтому для выявления поломок используют измерительные приборы — тестеры. С их помощью проверить варистор обычно не составляет труда.

Назначение и характеристики

Варистор — это электронный прибор, имеющий два контакта и обладающий нелинейно-симметричной вольт-амперной характеристикой. Термин «варистор» произошёл от латинских слов variable — «изменяемый» и resisto — «резистор». По своей сути он является полупроводниковым резистором, способным изменять своё сопротивление в зависимости от приложенного к его выводам напряжения.

Изготавливаются такого типа резисторы путём спекания при высокой температуре полупроводника и связующего материала. В качестве полупроводника используется карбид кремния, находящийся в порошкообразном состоянии, или оксид цинка, а связующего вещества — стекло, лак, смола. Полученный после спекания элемент подвергается металлизации с дальнейшим формированием выводов. По своей конструкции приборы выполняются в форме, похожей на диск, таблетку, цилиндр, или плёночного вида.

Обладая свойством резко уменьшать своё сопротивление при возникновении на его выводах определённого напряжения, варистор применяется в электронных схемах в качестве защитного элемента. При возникновении броска напряжения определённой величины полупроводниковый прибор мгновенно снижает своё внутреннее сопротивление до десятков Ом, тем самым практически закорачивая цепь, не давая импульсу повредить остальные элементы схемы. Поэтому важным параметром варистора является значение напряжения, при котором наступает пробой устройства.

Принцип работы элемента подразумевает его включение параллельно цепи питания. После его срабатывания и уменьшения напряжения на входе он самовосстанавливается до первоначального значения. Из-за малой инерционности это происходит мгновенно.

Основные параметры

Перед тем как проверить варистор на исправность, необходимо понимать не только принцип его действия, но и знать, какими характеристиками он обладает. Как и любой электронный элемент, варистор имеет ряд характеристик, которые позволяют его использовать в различных схемах. Основным параметром является вольт-амперная характеристика (ВАХ). Она наглядно показывает, как меняется ток при той или иной величине напряжения. Изучая ВАХ, можно увидеть что варистор, обладая симметрично-двунаправленной характеристикой, работает как в прямой, так и обратной зоне синусоиды, напоминая стабилитрон.

Кроме ВАХ, при исследовании варистора отмечаются следующие характеристики:

• Um — наибольшее допустимое рабочее напряжение для тока переменной или постоянной величины.
• P — мощность, которую может рассеять на себе элемент без ухудшения своих параметров.
• W — допустимая энергия в джоулях, которую может поглотить радиоэлемент при воздействии одиночного импульса.
• Ipp — наибольшее значение импульсного тока, для которого определена форма импульса.
• Co — ёмкость, значение которой измеряется у варистора в нормальном состоянии.

Но на практике особое внимание уделяется в основном параметру Um. Эта характеристика показывает уровень напряжения, при котором происходит пробой элемента и начинает течь ток.

Виды устройств

Разнообразие встречаемых видов варисторов обусловлено тем, что производители стремятся в первую очередь повысить их быстродействие. Поэтому и используются SMD технологии безвыводного монтажа, что позволяет добиваться малого времени срабатывания при скачке входного напряжения. Типовое время срабатывания элементов с выводами находится в пределе 15−25 наносекунд, а SMD — 0,5 наносекунд.

Существует класс низковольтных варисторов и высоковольтных. Первые выпускаются с рабочим напряжением до двухсот вольт и силой тока до одного ампера. Вторые же имеют рабочее напряжение до двадцати киловольт. Маломощные элементы используются в качестве защиты от скачка напряжения, возникающего в бытовой сети, а мощные применяются на трансформаторных подстанциях и в системах защиты от грозы.

Маркировка элементов

Независимо от производителя существует стандарт маркировки варисторов. На сам элемент принято наносить цифробуквенный код, в котором зашифровываются основные параметры. Например, для дискового типа это обозначение выглядит как S6K210, где:

• S — материал, из которого изготовлен варистор;
• 6 — диаметр корпуса элемента, указывается в миллиметрах;
• K — величина допуска отклонения;
• 210 — значение рабочего напряжения, выраженное в вольтах.

Для планарного типа используется такая же маркировка, только первыми буквами ставится CN, обозначающая тип изделия.

На схемах радиоэлемент графически обозначается как перечёркнутый прямоугольник. На перечёркивающей палочке делается полочка, над которой ставится буква U. Подписывается на схемах элемент латинскими буквами RU.

Методы проверки мультиметром

Для проверки варистора, впрочем, как и любого другого радиоэлемента, проще всего использовать специально разработанные для этого приборы. В качестве таких устройств используются мультиметры. Основной параметр, который можно им померить — это внутреннее сопротивление элемента. Но перед тем как непосредственно приступить к проверке варистора, следует подготовиться.

Кроме мультиметра, понадобится:

• паяльник;
• припой;
• флюс;
• даташит.

Измерение сопротивления элемента можно проводить и без его выпаивания из схемы, но для получения достоверных данных следует отсоединить от платы хотя бы один его вывод. Вся подготовка сводится к тому, что полупроводниковый элемент сначала визуально осматривается на отсутствие: расколов, почернений, трещин. Если сразу видно лопнувший корпус, то проверку можно дальше не проводить. Такой варистор явно неисправен.

Паяльник, флюс и припой понадобится для того, чтобы отпаять один из выводов элемента или даже снять его целиком, а после проверки при необходимости запаять обратно. Даташит на элемент представляет собой официальный документ, выпускаемый производителем. В нём указываются все основные данные и характеристики.

Даташит используется для того, чтобы точно знать, какое рабочее сопротивление в состоянии покоя у радиодетали. Если при замере мультиметром сопротивление варистора не отличается более чем на 10%, то он считается исправным. Если сопротивление значительно меньше указанного в даташите, то его понадобится заменить. Важно отметить, что в обычном состоянии сопротивление варистора достигает нескольких сотен мегаом, поэтому и тестер должен иметь возможность измерять в этом пределе.

Измерения стрелочным прибором

Такое устройство считается аналоговым. В его конструкции используется электромеханическая головка. Она представляет собой рамку, помещаемую в магнитное поле. В зависимости от силы тока стрелка в рамке отклоняется, останавливаясь в определённом положении. Диапазон отклонения стрелки проградуирован числами, согласно которым и вычисляется сопротивление.

Перед тем как приступить к проверке варистора, стрелочный мультиметр понадобится настроить. Для этого выполняется его калибровка. Её суть сводится к выставлению нулевого положения стрелки путём вращения специальной ручки при замыкании щупов друг с другом.

Для этого кнопкой переключения выбирается режим работы, соответствующий значку «Ω», а галетный переключатель устанавливается на самый большой предел измерения сопротивления тестером. Чаще всего он обозначается как «х100», что соответствует мегаомам. Измерение сопротивления происходит от установленного в устройстве источника питания (батарейки). Поэтому, если выставить стрелку в ноль не получается, то батарейку понадобится заменить.

Проводя непосредственно измерения, одним щупом тестера дотрагиваются до одного вывода варистора, а другим — до другого. В итоге возможно три исхода:

1. Стрелка отклонится до нуля или покажет сопротивление в районе килоомов. Делается вывод о неисправности элемента (пробой).
2. Результат измерений лежит в пределах сотни мегаом. Такое показание указывает на исправность варистора.
3. При прикасании к выводам радиоэлемента стрелка никак на это не реагирует. Возможные причины в следующем: диапазона работы прибора не хватает для измерения величины сопротивления варистора, неисправен прибор, неисправен радиоэлемент (обрыв).

Цифровой тестер

Используя цифровой мультиметр, проверить варистор на работоспособность будет немного проще, чем аналоговым. Это связано с тем, что цифровой тестер в своей конструкции имеет жк-дисплей, на котором наглядно отображается измеренное сопротивление.

В основе работы тестера такого тип лежит аналого-цифровой преобразователь, принцип работы которого построен на сравнение измеряемого сигнала с опорным. Следует отметить, что, если при включении тестера на экране высвечивается значок мигающей батарейки, то элемент питания понадобится заменить. Порядок измерения сопротивления варистора можно представить в виде следующих действий:

1. Переключателем устанавливается максимальный предел измерения сопротивления. Обычно этот предел указывается числом и буквой. Если написаны просто числа, то единица измерения — Ом, буква K после числа обозначает килоом, буква M — мегаом.
2. Щупы фиксируются на двух выводах варистора, а обратные концы проводов со штекерами вставляются в гнёзда тестера, обозначенные Ω и СОМ. Так как полярность приложенного сигнала к варистору значения не имеет, то и неважно, какой провод подключается к тому или иному выводу элемента. Хотя принято, что в разъём СОМ вставляется шнур чёрного цвета.
3. Устройство включается путём нажатия на тестере кнопки ON/OFF.
4. Если на индикаторе высвечивается единица, то это обозначает, что выбран малый предел измерений.
5. Если на экране отображаются цифры отличные от единицы, то это и есть величина измеряемого сопротивления.

При трактовке результата измерений следует учитывать ещё и допуск. Каждый радиоэлемент имеет свой показатель допуска. Например, если допуск составляет 10 процентов, а внутреннее сопротивление варистора указано как 100 МОм, то полученные результаты должны находиться в пределах от 90 до 110 МОм. Если выявляется, что измеренное сопротивление элемента находится ниже или выше этого диапазона, то его можно считать неисправным.

Применение реостата

Проверить варистор возможно не только путем измерения его внутреннего импеданса. Внутреннее значение сопротивления может соответствовать заявленной величине, но при этом пороговое напряжение варистора будет неверным. Для проверки значения пробоя используется мультиметр с лабораторным автотрансформатором или реостатом.

В тестовой схеме к одному из выводов варистора подключается подвижный контакт реостата, а к другому — плавкий предохранитель. Щупы мультиметра фиксируются параллельно выводам полупроводникового элемента, а он сам переключается в режим измерения напряжений. На свободную пару контактов подаётся разность потенциалов, величина которой превышает значение пробоя компонента.

С помощью движимого контакта реостата плавно изменяется напряжение до момента срабатывания варистора. Этот момент определяется по вольтметру. Первоначально показания мультиметра будут расти, а после резко сбросятся до нуля. При этом предохранитель перегорит. Максимальное зафиксированное ненулевое значение и будет являться пороговым напряжением.

Важно отметить, что при измерении, особенно с помощью реостата, возможно поражение организма электрическим током. Поэтому нельзя забывать о технике безопасности, следует неуклонно её соблюдать.

Как проверить варистор мультиметром — [ Статья ]

Содержание статьи

Варистор является разновидностью полупроводникового резистора с функцией предохранителя защищаемой цепи. Принцип работы варистора основан на резком и быстром уменьшении его электрического сопротивления при повышении напряжения на контактах. Отсюда следует параллельный способ подключения прибора к тому участку схемы, который необходимо шунтировать.

В штатном режиме варистор бездействует – он необходим при пиковых всплесках напряжения, которое может вывести из строя защищаемую схему. Рост разницы потенциалов приводит к протеканию тока через варистор, избыточная энергия выделяется прибором в тепловом виде. Внешне типичный варистор выглядит как таблетка с двумя усиками-выводами и похож на конденсатор, отличаясь от него по нанесенной маркировке.

Основные параметры и маркировка варисторов

Данный тип полупроводниковых приборов выпускается в двух разновидностях. Низковольтные варисторы срабатывают на напряжение в диапазоне от 3 до 200 Вольт, они применяются в бытовой аппаратуре. Высоковольтные способны реагировать на напряжение до 20 000 Вольт и используются в промышленности.

По маркировке прибора можно понять не только его назначение (и отличить от конденсатора), но и получить представление об основных характеристиках.

Например, варистор с надписью 20d421k имеет диаметр 20 миллиметров, пороговое напряжение открытия в 420 Вольт, а буква k обозначает допустимое отклонение данного напряжения, равное 10 %. То есть этот прибор может сработать уже при подаче 378 Вольт на его контакты (420 – 42).

На электрических схемах варистор обозначается аббревиатурой znrX, где X – количество приборов на данном участке схемы.

Проверка варистора – осмотр, омметр и мультиметр

При срабатывании данного полупроводникового прибора происходит значительное выделение тепла и варистор может сгореть. Это происходит при большом значении пикового напряжения, при его длительной подаче либо при сочетании обоих факторов.

Способов проверки варистора на дальнейшую работоспособность существует несколько:

• Внешний осмотр. Его не стоит отвергать, так как многие современные схемы плотно упакованы, и нарушение целостности внешней оболочки прибора легко не заметить. Любые трещины, вспучивания или потемнения на корпусе варистора сигнализируют о его выходе из строя.
• Прозвон с помощью мультиметра. Достоверно проверить варистор на исправность мультиметром прямо на плате невозможно — придется выпаивать как минимум один контакт. Важно провести измерение в обоих направлениях, поменяв щупы местами друг с другом. Селектор режимов мультиметра необходимо установить на ячейку «проверка диодов», обычно рядом с ней нарисован символ диода и значок акустической индикации. Целый варистор не прозванивается ввиду своего значительного сопротивления.
• Измерение омметром либо мегаомметром. Следует установить омметр на максимальное значение, в большинстве бытовых приборов таковым является 2 МегаОма. На шкале они могут быт обозначены как 2000К или 2M. В теории измеренное сопротивление должно быть бесконечным, на практике омметр может показать значение сопротивления исправного варистора в 1,5…2 МегаОма. Если прозванивать варистор мегаомметром, важно установить правильное значение напряжения на его выводах. В мощных измерительных приборах оно может быть выше, чем пороговое напряжение открытия варистора. Проще говоря, полупроводниковый предохранитель можно сжечь в процессе проверки.

На практике использование мультиметра для диагностики исправности варисторов встречается не столь часто, так как в большинстве случаев достаточно внешнего осмотра. При замене сгоревшего предохранителя следует обратить внимание на технические характеристики его предшественника, иначе новый варистор выйдет из строя значительно быстрее либо не выполнит свою шунтирующую функцию и допустит повреждение целого электронного блока.

---

Была ли статья полезна?

Да

Нет

Оцените статью

Что вам не понравилось?

---

Другие материалы по теме

Анатолий Мельник

Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.

Варистор: определение, работа, работа и тестирование

Варистор — это устройство с нелинейной вольт-амперной характеристикой. Когда напряжение, приложенное к варистору, ниже его порогового значения, ток, протекающий через него, чрезвычайно мал, что эквивалентно резистору с бесконечным сопротивлением, наоборот. Самый распространенный варистор — это металлооксидный варистор (MOV).

Каталог

Ⅰ Что такое варистор?

Варистор — это устройство с нелинейной вольт-амперной характеристикой.Он в основном используется для ограничения напряжения, когда цепь подвергается перенапряжению, и поглощения избыточного тока для защиты чувствительных устройств. Его также называют «резистор, зависимый от напряжения », сокращенно « VDR ». Материал корпуса резистора варистора — полупроводник, поэтому это разновидность полупроводниковых резисторов. Варистор «оксид цинка» (ZnO), который сейчас широко используется, имеет основной материал, состоящий из двухвалентного элемента цинка (Zn) и шестивалентного элемента кислорода (O).Таким образом, с точки зрения материалов, варистор из оксида цинка — это своего рода «оксидный полупроводник II-VI».

Варистор

Варистор — это устройство защиты с ограничением напряжения. Используя нелинейные характеристики варистора, когда между двумя полюсами варистора возникает перенапряжение, варистор может ограничивать напряжение до относительно фиксированного значения напряжения, тем самым обеспечивая защиту последующей цепи. Основными параметрами варистора являются напряжение варистора, токовая нагрузка, емкость перехода, время отклика и т. Д.

Ⅱ Как работают варисторы?

Время отклика варистора составляет нс, что быстрее, чем у газоразрядной трубки, и немного медленнее, чем у трубки TVS. Как правило, скорость срабатывания защиты от перенапряжения для электронных схем может соответствовать требованиям. Емкость перехода варистора обычно составляет от сотен до тысяч ПФ. Во многих случаях его не следует напрямую применять для защиты высокочастотных сигнальных линий. При применении для защиты цепей переменного тока большая емкость перехода увеличивает утечку.При проектировании схемы защиты необходимо полностью учитывать ток. Варистор имеет большую пропускную способность, но меньше газоразрядной трубки.

Когда напряжение, приложенное к варистору ниже его порогового значения, ток, протекающий через него, чрезвычайно мал, что эквивалентно резистору с бесконечным сопротивлением. То есть, когда приложенное к нему напряжение ниже его порогового значения, это эквивалентно переключателю в выключенном состоянии.

Когда напряжение, приложенное к варистору, превышает его пороговое значение, ток, протекающий через него, резко увеличивается, что эквивалентно бесконечно малому сопротивлению.Другими словами, когда приложенное к нему напряжение превышает его пороговое значение, это эквивалентно переключателю в замкнутом состоянии.

Ⅲ Основные параметры варистора

Основными параметрами варистора являются номинальное напряжение, коэффициент напряжения, максимальное управляющее напряжение, коэффициент остаточного напряжения, ток утечки, ток утечки, температурный коэффициент напряжения, текущий температурный коэффициент, коэффициент нелинейности напряжения, изоляция. сопротивление, статическая емкость и т. д.

1. Номинальное напряжение относится к значению напряжения на варисторе при прохождении постоянного тока 1 мА.

2. Коэффициент напряжений относится к соотношению значения напряжения, генерируемого, когда ток варистора составляет 1 мА, и значения напряжения, генерируемого, когда ток варистора составляет 0,1 мА.

3. Максимальное ограничивающее напряжение относится к максимальному значению напряжения, которое могут выдержать два конца варистора.

4. Коэффициент остаточного напряжения : Когда ток, протекающий через варистор, имеет определенное значение, генерируемое на нем напряжение называется этим значением тока как остаточным напряжением.Коэффициент остаточного напряжения — это отношение остаточного напряжения к номинальному напряжению.

5. Пропускная способность также называется пропускной способностью, которая относится к максимальному импульсному (пиковому) току, разрешенному для прохождения через варистор при определенных условиях (с указанным интервалом времени и количеством раз, применяется стандартный пусковой ток).

6. Thw ток утечки и ток ожидания относится к току, протекающему через варистор при указанной температуре и максимальном постоянном напряжении.

7. Температурный коэффициент напряжения относится к скорости изменения номинального напряжения варистора в заданном температурном диапазоне (температура 20 ~ 70 ° C), то есть, когда ток через варистор остается постоянным, относительное изменение обоих концов варистора при изменении температуры на 1 ℃.

8. Температурный коэффициент тока относится к относительному изменению тока, протекающего через варистор, когда температура на варисторе остается постоянной, а температура изменяется на 1 ° C.

9. Коэффициент нелинейности напряжения относится к отношению значения статического сопротивления к значению динамического сопротивления варистора при заданном приложенном напряжении.

10. Сопротивление изоляции относится к значению сопротивления между выводом (выводом) варистора и изолирующей поверхностью корпуса резистора.

11. Статическая емкость . относится к внутренней емкости самого варистора.

Ⅳ Функция варистора

Основная функция варистора — защита переходного напряжения в цепи.По принципу работы, описанному выше, варистор эквивалентен переключателю. Только когда напряжение выше его порогового значения, а переключатель замкнут, ток, протекающий через него, резко возрастает, и влияние на другие цепи не сильно изменяется, тем самым уменьшая влияние перенапряжения на последующие чувствительные цепи. Эта функция защиты варистора может использоваться многократно, а также может быть преобразована в одноразовое защитное устройство, подобное токовому предохранителю.

Функция защиты варистора получила широкое распространение.Например, в цепи питания домашнего цветного телевизора используется варистор для выполнения функции защиты от перенапряжения. Когда напряжение превышает пороговое значение, варистор отражает его характеристики фиксации. Чрезмерное напряжение понижается, так что последующая цепь работает в безопасном диапазоне напряжений.

Варистор в основном используется для защиты от переходных перенапряжений в цепи, но из-за его вольт-амперных характеристик, аналогичных полупроводниковому стабилитрону, он также имеет множество функций элементов схемы.Например, варистор представляет собой своего рода высоковольтный стабилизирующий элемент постоянного тока с малым током-напряжением со стабильным напряжением в тысячи вольт или более, чего нельзя достичь с помощью кремниевого стабилитрона. Варистор можно использовать в качестве элемента обнаружения флуктуации напряжения, битового элемента сдвига уровня постоянного тока, флуоресцентного пускового элемента, элемента выравнивания напряжения и так далее.

Ⅴ Варистор из оксида металла

Наиболее распространенным варистором является варистор из оксида металла (MOV), который содержит керамический блок, состоящий из частиц оксида цинка и небольшого количества других оксидов металлов или полимеров, зажатых между двумя металлическими листами.На стыке частиц и соседних оксидов образуется диодный эффект. Из-за большого количества грязных частиц это эквивалентно большому количеству диодов с обратным подключением. При низком напряжении наблюдается лишь небольшая обратная утечка тока. Когда встречается высокое напряжение, происходит обратный коллапс диода из-за горячих электронов и туннельного эффекта, и течет большой ток. Следовательно, кривая вольт-амперной характеристики варистора сильно нелинейна: высокое сопротивление при низком напряжении и низкое сопротивление при высоком напряжении.

Металлооксидные варисторы в настоящее время являются наиболее распространенными устройствами ограничения напряжения и могут использоваться для различных напряжений и токов. Использование оксидов металлов в его структуре означает, что MOV очень эффективны в поглощении кратковременных скачков напряжения и имеют более высокие возможности управления энергией.

Как и обычные варисторы, металлооксидные варисторы начинают проводить при определенном напряжении и перестают проводить, когда напряжение ниже порогового. Основное различие между стандартным варистором из карбида кремния (SiC) и варистором типа MOV заключается в том, что ток утечки материала из оксида цинка через MOV очень мал при нормальных рабочих условиях, а его рабочая скорость намного выше в переходном режиме зажима.

MOV обычно имеют радиальные выводы и твердое внешнее синее или черное эпоксидное покрытие, которое очень похоже на дисковые керамические конденсаторы и может быть физически установлено на печатных платах и ​​печатных платах аналогичным образом. Типичный металлооксидный варистор имеет следующую структуру:

Металлооксидный варистор

Чтобы выбрать правильный MOV для конкретного применения, необходимо понимать полное сопротивление источника и возможную импульсную мощность переходного процесса. .Для входных линейных или фазовых переходных процессов выбор правильного MOV немного сложнее, потому что характеристики источника питания, как правило, неизвестны. Вообще говоря, электрическая защита от переходных процессов и всплесков мощности схемы выбора MOV обычно является просто обоснованным предположением.

Однако металлооксидные варисторы можно использовать для различных напряжений варисторов, от примерно 10 до более 1000 вольт переменного или постоянного тока, поэтому он может помочь вам сделать выбор, зная напряжение питания.Например, выберите MOV или кремниевый варистор. Для напряжения его максимальный непрерывный корень означает квадратное номинальное напряжение, которое должно быть немного выше, чем максимальное ожидаемое напряжение источника питания. Например, источник питания на 120 вольт составляет 130 вольт среднеквадратического значения, а 230 вольт — это источник питания на 260 вольт.

Максимальное значение импульсного тока, которое будет использовать варистор, зависит от длительности переходного импульса и количества повторений импульсов. Можно сделать предположение о ширине переходного импульса, которая обычно составляет от 20 до 50 микросекунд (мкс).Если пикового значения импульсного тока недостаточно, варистор может перегреться и выйти из строя. Следовательно, если варистор работает без сбоев или деградации, он должен иметь возможность быстро рассеивать поглощенную энергию переходного импульса и безопасно возвращаться в свое предимпульсное состояние.

Ⅵ Характеристики поврежденного варистора

Резистор — это самый многочисленный компонент в электрооборудовании, но он не является компонентом с самой высокой степенью повреждения. Обрыв цепи — наиболее распространенный тип повреждения сопротивления.Редко сопротивление становится большим, и очень редко сопротивление становится маленьким. Распространенными типами являются резисторы с углеродной пленкой, резисторы с металлической пленкой, резисторы с проволочной обмоткой и резисторы с плавкими предохранителями. Наиболее широко используются первые два типа резисторов. Их характеристики повреждения — низкое сопротивление (ниже 100 Ом;) и высокое сопротивление (выше 100 Ом;). Во-вторых, при повреждении резистора с низким сопротивлением он часто сгорает и почернеет, что легко найти, а при повреждении резистора с высоким сопротивлением остается мало следов.Резисторы с проволочной обмоткой обычно используются для ограничения высокого тока, а сопротивление невелико. Когда цилиндрический резистор с проволочной обмоткой сгорит, часть его станет черным или поверхность взорвется, треснет. Цементное сопротивление — это разновидность проволочного сопротивления намотки, которое может сломаться при выгорании, иначе не останется видимых следов. Когда предохранитель перегорит, некоторые поверхности оторвутся, а на некоторых не останется следов, но они никогда не сгорят и не станут черными.

Ⅶ Как проверить варисторы?

1.Подготовка перед измерением варистора

Подключите два измерительных провода (независимо от положительного и отрицательного) к двум концам резистора, чтобы измерить фактическое значение сопротивления. Для повышения точности измерения диапазон выбран в соответствии с номиналом измеряемого сопротивления. Из-за нелинейной зависимости шкалы Ом средняя часть шкалы в порядке. Следовательно, значение стрелки должно упасть, насколько это возможно, до середины шкалы, то есть в пределах от 20% до 80% радиана полной шкалы.В зависимости от уровня погрешности сопротивления допускается погрешность ± 5%, ± 10% или ± 20% между показанием и номинальным сопротивлением, соответственно. Если диапазон ошибок превышен, резистор изменил стандартное значение.

2. Как измерить качество варистора?

Для проверки варистора обычно требуется источник питания с широким диапазоном регулируемого напряжения, и он имеет хороший эффект ограничения тока. При измерении параллельно варистору подключают вольтметр с хорошей точностью.Подключите регулируемый провод питания к обоим концам варистора.

Вольтметр показывает напряжение питания. Вам следует медленно регулировать напряжение и вы увидите, что напряжение внезапно падает после достижения определенного напряжения. Напряжение в последний момент перед понижением является значением защиты варистора.

При постоянном напряжении, подаваемом на варистор, значение его сопротивления может изменяться от МОм (МОм) до МОм (Миллиом). Когда напряжение низкое, варистор работает в области тока утечки, показывая большое сопротивление, а ток утечки невелик; когда напряжение возрастает до нелинейной области, ток изменяется в относительно большом диапазоне, и напряжение не изменяется сильно, показывая хорошую характеристику ограничения напряжения; когда напряжение снова повышается, варистор входит в область насыщения и имеет очень маленькое линейное сопротивление.Из-за большого тока варистор со временем перегреется и сгорит или даже лопнет.

Мультиметр

3. Выбор варистора

При выборе варистора необходимо учитывать особые условия цепи и, как правило, следует соблюдать следующие принципы:

(1) Выбор напряжения варистора V1mA

В соответствии с выбором напряжения источника питания, напряжение источника питания, непрерывно подаваемое на варистор, не должно превышать значение «максимального продолжительного рабочего напряжения», указанное в спецификации.То есть максимальное рабочее напряжение постоянного тока варистора должно быть больше, чем рабочее напряжение постоянного тока VIN линии питания (сигнальной линии), то есть VDC ≥ VIN; При выборе источника питания 220 В переменного тока необходимо полностью учитывать диапазон колебаний рабочего напряжения электросети. Общий диапазон колебаний внутренней электросети составляет 25%. Следует выбрать варистор с напряжением варистора от 470 В до 620 В. Выбор варистора с более высоким напряжением варистора может снизить частоту отказов и продлить срок службы, но остаточное напряжение немного увеличивается.

(2) Выбор трафика

Номинальный ток разряда варистора должен быть больше, чем импульсный ток, необходимый для выдерживания, или максимальный импульсный ток, который может возникнуть во время работы оборудования. Номинальный ток разряда должен быть рассчитан путем нажатия значения более 10 ударов на кривой номинальных значений времени работы от перенапряжения, что составляет около 30% от максимального ударного потока (т. Е. 0,3IP).

(3) Выбор напряжения фиксации

Напряжение фиксации варистора должно быть меньше максимального напряжения (т. Е. Безопасного напряжения), которое может выдержать защищаемый компонент или оборудование.

(4) Выбор конденсатора Cp

Для сигналов высокочастотной передачи емкость Cp должна быть меньше, и наоборот

(5) Согласование внутреннего сопротивления (согласование сопротивления)

Взаимосвязь между внутреннее сопротивление R (R≥2Ω) защищаемого компонента (линии) и переходное внутреннее сопротивление Rv варистора: R≥5Rv; для защищаемого компонента с малым внутренним сопротивлением, не влияющим на скорость передачи сигнала, следует попробовать использовать большой варистор конденсатора.

Статьи по теме:

SMD резисторы: коды, размер, испытания, допуски и выбор

В чем разница между подтягивающими и понижающими резисторами?

Металлооксидный варистор MOV

Металлооксидный варистор или MOV представляет собой нелинейное устройство, зависящее от напряжения, которое обеспечивает превосходное подавление переходных напряжений. Металлооксидный варистор предназначен для защиты различных типов электронных устройств и полупроводниковых элементов от коммутации и индуцированных грозовых перенапряжений.

При воздействии высокого переходного напряжения MOV фиксирует напряжение до безопасного уровня. Металлооксидный варистор поглощает потенциально разрушительную энергию и рассеивает ее в виде тепла, таким образом защищая уязвимые компоненты схемы и предотвращая повреждение системы. Варисторы могут частично поглощать скачки напряжения.

О MOV — Металлооксидные варисторы

A MOV содержит керамическую массу зерен оксида цинка в матрице оксидов других металлов (например, небольшое количество висмута, кобальта, марганца), зажатую между двумя металлическими пластинами (электродами).

Сопутствующие товары: Защита цепей Разное | Блокирующие устройства переходного режима | Варистор | TVS | Ограничители перенапряжения

Их можно подключать параллельно для повышения энергоэффективности. MOV
также могут быть подключены последовательно, чтобы обеспечить более высокое номинальное напряжение или номинальное напряжение между стандартными приращениями.

Металлооксидный варистор остается непроводящим в качестве устройства шунтирующего режима во время нормальной работы, когда напряжение остается значительно ниже своего «напряжения ограничения».Если кратковременный импульс (часто измеряемый в джоулях) слишком высок, устройство может расплавиться, сгореть, испаряться или иным образом быть повреждено или разрушено.

Варисторы в любом случае должны быть подключены параллельно защищаемым электронным цепям.

Как сказал Сивананд в одной из статей: «СЛЕДУЕТ использовать металлооксидный варистор для защиты схемы от скачков высокого напряжения… Это стало обязательным, и его можно увидеть во всех источниках питания, которые работают напрямую от сети».

Металлооксидный варистор (MOV) — Характеристики, работа и техническое описание

Металлооксидный варистор ( MOV ) — это защитный компонент, используемый в цепях питания, которые питаются непосредственно от сети переменного тока.Он используется для защиты схемы от скачков высокого напряжения путем изменения ее сопротивления.

Контакт Описание

Металлооксидные варисторы похожи на резисторы и имеют только два вывода. Эти выводы не имеют полярности, поэтому их можно подключать в обоих направлениях.

Характеристики

• Диапазон напряжения переменного тока: от 130 до 1000 В
• Диапазон напряжения постоянного тока: от 175 до 1200 В
• Сопротивление изоляции: 1000 МОм
• Рабочая температура: от -55 до +85 ° C

Примечание: Вышеуказанные функции применимы ко всей серии LA Varistor компании Littlefuse.Обратитесь к таблице данных, приведенной ниже, чтобы выбрать соответствующий номер модели в соответствии с вашим приложением.

Как работает MOV?

Обозначение MOV означает « Металлооксидный варистор ». Как следует из названия варистор, это переменный резистор. Но в отличие от потенциометра сопротивление MOV изменяется автоматически в зависимости от напряжения на нем. Если напряжение на нем увеличивается, сопротивление уменьшается, и наоборот.Это свойство полезно для защиты цепей от скачков высокого напряжения.

Как использовать MOV в вашей цепи?

MOV обычно используется вместе с предохранителем параллельно цепи, которая должна быть защищена, как показано на изображении ниже.

Когда напряжение находится в пределах номинальных значений, сопротивление MOV будет очень высоким, и, следовательно, весь ток течет через цепь, а ток через MOV не течет.

Но когда в главном напряжении возникает скачок напряжения, он появляется непосредственно на MOV, поскольку он размещен параллельно сети переменного тока. Это высокое напряжение снизит значение сопротивления MOV до очень низкого значения, что сделает его похожим на короткое замыкание.

Это заставляет большой ток течь через MOV, который протекает через предохранитель и отключит цепь от сетевого напряжения. Во время скачков напряжения неисправное высокое напряжение очень скоро вернется к нормальным значениям, в этих случаях продолжительность протекания тока будет недостаточно высокой, чтобы перегореть предохранитель, и схема вернется в нормальный режим работы, когда напряжение станет нормальным.Но каждый раз, когда обнаруживается всплеск, MOV на мгновение отключает цепь, закорачивая себя и каждый раз повреждая себя сильным током. Так что, если вы обнаружите, что MOV поврежден в какой-либо силовой цепи, возможно, это связано с тем, что в цепи было много скачков напряжения.

Приложения

• Защита от перенапряжения
• Защита от скачков напряжения
• Линия защиты линии
• Защита от переключения
• Защита свода.

2D Модель

MOV бывают разных размеров и форм. Стандартные обозначения — 7 мм, 10 мм, 14 мм и 20 мм. Размеры всех можно найти в таблице ниже.

Что такое варистор против диода TVS? Как выбрать лучший варистор для защиты вашей схемы

Что такое варистор против диода TVS? Как выбрать лучший варистор для защиты вашей схемы

Варистор — это устройство, сопротивление которого изменяется в зависимости от напряжения на его выводах, но в нелинейной зависимости.Некоторые электрические устройства демонстрируют такое поведение, но термин «варистор» зарезервирован для компонентов, которые рассеивают энергию в твердом материале, а не в переходах.

В нормальных условиях эксплуатации варистор действует как разомкнутая цепь с высоким сопротивлением. Преимущество нелинейной зависимости между сопротивлением и напряжением становится очевидным при наличии высокого переходного напряжения. Сопротивление варистора уменьшается с увеличением напряжения, и он ограничивает напряжение до безопасного уровня, эффективно защищая параллельные компоненты в цепи.

Варистор против диода TVS

Способность защищать чувствительные части схемы от высоких переходных напряжений — это та же функция, что и TVS-диод. Есть заметные различия при сравнении варистора и TVS-диода, которые мы будем исследовать.

Варисторы — это двунаправленные компоненты, подходящие как для цепей переменного, так и для постоянного тока. Они бывают разного дизайна. Самая популярная конструкция — радиальный диск — очень напоминает конденсатор, но не следует путать его с конденсатором.

Какие типы варисторов использовать?

Варисторы могут изготавливаться из разных материалов. Их состав определяет их электрические свойства. Изучение и сравнение характеристик различных варисторов позволяет проводить интересные эксперименты и исследования. Коммерческие производственные компании даже создали собственные смеси.

Отношение тока к напряжению варистора можно выразить с помощью следующего соотношения:

I = кВ

Где K и — постоянные варистора.K является функцией геометрии варистора и определяет степень нелинейности сопротивления, испытываемого устройством. Высокое значение обычно означает лучший зажим. Для идеального резистора с линейным соотношением V-I это 1.

Самый распространенный тип варистора на рынке сегодня — это металлооксидный варистор, MOV.

Ищете металлооксидные варисторы? В магазине MDE Semiconductor представлен широкий ассортимент варисторов, тиристоров, TVS-диодов

Однако до того, как были представлены MOV, предпочтительным варистором был карбид кремния SiC.Варисторы из SiC изготавливаются путем сплавления зерен SiC вместе для образования керамической основы и объединения добавок, таких как графит, различные соли и оксиды, для улучшения свойств конечного материала. Недостатком варисторов SiC, и почему MOV в значительной степени их заменили, является значительное количество электрического тока, который они потребляют в режиме ожидания. Варисторы на основе SiC имеют типичную тягу в диапазоне 3-7.

С другой стороны, MOV имеют более высокие значения по сравнению с варисторами SiC, между 20-50. В процессе производства оксиды металлов, а именно оксид цинка (ZnO), сплавлены в керамическую основу и объединены с такими добавками, как оксиды висмута, марганца или кобальта.Типичное распределение — 90% ZnO и 10% добавок. Полученный материал имеет поликристаллическую микроструктуру, которая может рассеивать большое количество энергии по всей своей массе. Затем материал помещается между металлическими электродами.

В оставшейся части этой статьи варисторы будут относиться к MOV.

Как варисторы защищают схемы от высоких переходных напряжений на уровне микроструктуры

Переходные напряжения — это временные всплески напряжения, которые могут возникать в результате колебаний источника питания, ударов молнии, переключения индуктивной нагрузки, электростатического разряда и т. Д.Последствия этих переходных процессов могут варьироваться от незначительных до катастрофических, отсюда и необходимость защиты от их возникновения.

Кристаллическая структура MOV состоит из случайно ориентированных зерен оксида металла, которые являются проводниками, разделенными резистивной межзеренной границей. Эти границы демонстрируют полупроводниковые характеристики P-N-перехода.

В цепи, работающей нормально и испытывающей низкое напряжение, только небольшая величина тока течет в варисторе из-за обратной утечки через переходы.Когда прикладывается высокое переходное напряжение, превышающее напряжение пробоя варистора, на переходах происходит лавинный пробой, и варистор становится проводником (варистор ограничивает напряжение до безопасного уровня, когда он проводит).

Важно отметить, что варисторы не могут обеспечить защиту от непрерывного скачка напряжения, даже если величина напряжения значительно ниже, чем переходные напряжения, для которых он рассчитан. В этом случае разработчик схемы должен рассмотреть другие варианты между варистором и TVS-диодом.

Технические характеристики, которые необходимо знать перед выбором варистора

Длительный срок службы варистора и его эффективность при обеспечении требуемого уровня защиты зависит от использования варистора в правильной цепи и соблюдения спецификаций производителя.

Ниже приведены типичные характеристики, включенные в листы технических данных, предоставленные производителями. Кроме того, предоставляются кривые номинальных импульсов или диаграммы возможностей повторяющихся скачков напряжения, которые рисуют картину типов событий, которые могут выдерживать варисторы.

Номинальное напряжение: Максимальное непрерывное напряжение постоянного или синусоидального среднеквадратичного значения, которое может быть приложено.

• • Напряжение ограничения: напряжение на выводах варистора, при котором он замыкается.

• Импульсный ток: Максимальный пиковый ток данной формы волны для указанной длительности импульса, который может быть приложен к варистору без его выхода из строя.

• Ток утечки (ток в режиме ожидания): ток, протекающий через варистор, когда он находится в разомкнутом состоянии (непроводящее состояние ниже напряжения ограничения).Ток указан для данного напряжения на варисторе.

• Максимальное поглощение энергии: максимальное количество энергии, которое варистор может рассеять за заданную длительность импульса заданной формы волны
• Емкость: Типичный диапазон от 100 до 1000 пФ
• Время отклика: время, за которое варистор переходит из непроводящего состояния в проводящее состояние после подачи номинального напряжения. То есть продолжительность, в течение которой схема подвергается воздействию переходного напряжения до тех пор, пока варистор не снизит напряжение.

Процедура выбора лучшего варистора для вашей схемы

Приведенные ниже шаги представляют собой быстрое и приблизительное руководство по выбору лучшего варистора для вашей конструкции.

Ищете металлооксидные варисторы? В магазине MDE Semiconductor представлен широкий ассортимент варисторов, тиристоров, TVS-диодов

1. Изучите нормальные условия работы схемы для определения рабочего напряжения варистора

Максимально допустимое рабочее напряжение выбранного варистора должно быть равно или немного превышать рабочее напряжение (переменное или постоянное) цепи.Допустимо увеличение на 10-15%.

2. Приблизительное значение энергии, поглощаемой варистором во время переходного процесса

Номинальная мощность варистора — это мера максимально допустимой энергии для указанного импульса и длительности тока при приложении постоянного напряжения.

Если переходный процесс вызван разрядом индуктивности (например, трансформатора), энергию источника можно легко вычислить. Выберите варистор с показателем поглощения энергии, который равен или немного превышает значения энергии, связанные с событием, которое может возникнуть в цепи.Однако если переходное напряжение вызвано внешним событием, величина энергии источника неизвестна. В этом сценарии должна выполняться процедура аппроксимации для оценки энергии с использованием имеющейся в вашем распоряжении информации (тестирование, математическое приближение или графическая итерация).

3. Определите пиковый переходной ток через варистор (импульсный ток)

Если переходной процесс вызван индуктивностью, пиковый ток не будет превышать ток катушки индуктивности во время переключения.Рабочее напряжение, определенное на шаге 1, сузило выбор варисторов до полезного диапазона моделей. Графический анализ также может быть выполнен для определения переходного тока по характеристическим кривым V-I, зная переходное напряжение и полное сопротивление источника.

4. Определите требования к средней рассеиваемой мощности варистора

Требуемая рассеиваемая мощность — это энергия, генерируемая за импульс, умноженная на количество импульсов в секунду.Номинальная мощность выбранного варистора должна быть эквивалентной или превышать это значение. Напомним, что варисторы не являются устройствами регулирования мощности и не подходят там, где периодически возникают переходные процессы.

5. Выберите модель с требуемой характеристикой ограничения напряжения

Ограничивающее напряжение выбранного варистора должно приблизительно соответствовать максимальному напряжению, которое должны испытывать компоненты, расположенные ниже по сети.

Варисторные применения

Желаемые свойства варисторов делают их полезными для подавления переходных процессов как в бытовых, так и в промышленном оборудовании.Некоторые примеры практического использования:

• Защита телекоммуникационных линий и оборудования: смартфоны, блоки питания, зарядные устройства
• Protect Промышленное контрольное оборудование: системы дистанционного управления, средства управления машинами, системы сигнализации, бесконтактные переключатели, ЖК-дисплеи
• Защита силовой электроники: мостовые выпрямители, электросварка, импульсное питание, мощные преобразователи тока, преобразователи постоянного / переменного тока, силовые полупроводники
• Защита энергетического оборудования: трансформаторы, обмотки двигателя и генератора, индукторы, счетчик электроэнергии
• Защита автомобильного электрооборудования: блоки управления двигателем, выпрямители генератора, системы центрального замка, бортовые компьютеры, электродвигатели стеклоочистителей, светофор, светофоры
• Защитное медицинское оборудование: диагностическое оборудование, терапевтическое оборудование, блоки питания
• Защита бытовой электроники и микропроцессоров: телевизоры, компьютеры, средства управления стиральными машинами, диммеры, лампы, термостаты, удлинители для защиты от перенапряжения

При выходе из строя варисторов: их ограничения

Варисторы

имеют несколько ограничений, связанных с их конструкцией и способом поглощения переходной энергии.После многих крупных переходных процессов варисторы деградируют (разрушается керамический слой). В их ухудшенном состоянии величина тока утечки через варистор увеличивается, что приводит к повышенным температурам, даже когда цепь работает нормально. Если варистор не защищен, повышенный нагрев может привести к тепловому разгоне.

Так зачем нам продолжать использовать варисторы, учитывая эту хорошо известную и опасную неизбежность? Ответ кроется в современном поколении варисторов со встроенной функцией теплового отключения.Тепловой разъединитель определяет повышение температуры MOV по мере ее ухудшения. Когда срок службы варистора истечет, тепловой выключатель разомкнет цепь, защищая от возгорания.

Варистор против диода TVS

Подобно варисторам, TVS-диоды являются устройствами подавления переходных напряжений, которые используются для защиты электронных компонентов. Какой из них выбрать, зависит от того, какой реакции вы хотите добиться в своей цепи. В общем, лучшая защита будет иметь быстрое время отклика, низкое напряжение зажима, низкий ток в режиме ожидания, не забывая о физических факторах, таких как механизм отказа, стоимость, место на плате и надежность.Вот их сравнение:

TVS диоды

• Зажим при пониженном напряжении
• Не деградировать со временем
• Имеют низкую емкость, подходят везде, где чувствительность сигнала имеет высокий приоритет, например USB-порты
• Дороже

Варисторы (MOV)

• Напряжение зажима выше
• Со временем деградируют даже при использовании в соответствии со спецификацией и становятся более проводящими
• Более эффективен для защиты цепей, требующих высокой емкости
• Имеют большую толерантность к высокой энергии / температурам, используемым в средах с высоким напряжением, например.г., электросеть
• Более экономичная

Ищете металлооксидные варисторы? В магазине MDE Semiconductor представлен широкий ассортимент варисторов, тиристоров, TVS-диодов

Символ, работа, типы и применение

Варистор — символ, работа, типы и применение

Компактный резистор, резистор используется во многих схемах и во многих формах, что делает его почти вездесущим электрическим компонентом.От самых простых постоянных резисторов, где сопротивление остается неизменным, до различных типов переменных резисторов, сопротивление которых изменяется в зависимости от различных факторов. Переменные резисторы бывают разных типов; есть такие, в которых эффективная длина резистивной полосы играет роль в изменении резисторов, таких как потенциометры и реостаты, а есть другие наборы переменных резисторов, где ручное изменение сопротивления невозможно, скорее они чувствительны к физическим факторам, таким как как температура, напряжение, магнитное поле и т. д.

В предыдущих статьях мы уже обсуждали переменный резистор, сопротивление которого можно изменять вручную (например, потенциометр и реостаты).

Эта статья познакомит вас с миром резисторов, зависящих от напряжения, известных как варисторы.

Что такое варистор?

Варистор — это переменный резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения. Название было придумано лингвистической смесью слов; «Варьирующий» и «резисторный».Они также известны под названием VDR [резисторы, зависимые от напряжения] и имеют неомические характеристики. Поэтому они относятся к резисторам нелинейного типа.

В отличие от потенциометров и реостатов, где сопротивление изменяется от минимального до максимального значения, здесь, в Варисторе, сопротивление изменяется автоматически при изменении приложенного напряжения. Этот варистор имеет два полупроводниковых элемента и обеспечивает защиту от перенапряжения в цепи, аналогичную стабилитрону.

Так как же изменение приложенного напряжения влияет на его сопротивление? Что ж, ответ кроется в его составе.Поскольку он изготовлен из полупроводникового материала, его сопротивление падает с увеличением напряжения на нем. Когда происходит чрезмерное увеличение напряжения, сопротивление на нем многократно уменьшается. Такое поведение делает их хорошим выбором для защиты от перенапряжения в чувствительных цепях.

Варисторы

Кредит изображения

Реальный варистор показан на рисунке выше. Вы можете спутать их с конденсаторами. Однако между варисторами и конденсаторами нет ничего общего, кроме их размера и конструкции.

Варистор используется для подавления напряжения, в то время как конденсатор не может выполнять такие функции.

Символ варистора

Вначале варистор был представлен в виде двух диодов, расположенных параллельно друг другу, как показано на рисунке, из-за его диодоподобного поведения в обоих направлениях протекания тока. Однако теперь этот символ используется для DIAC. В современных схемах ниже показан символ варистора.

Варистор — обозначение цепи

Варистор — стандартное обозначение

Вы можете задаться вопросом, как варистор помогает в подавлении переходных процессов напряжения в цепи? Чтобы понять это, давайте сначала разберемся, что является источником переходного напряжения.Происхождение напряжения Переходные процессы в электрических цепях и источниках не зависят от того, работают ли они от источника переменного или постоянного тока, поскольку они происходят из самой цепи или передаются от любых внешних источников. Эти переходные процессы приводят к увеличению напряжения до нескольких тысяч вольт, что может оказаться катастрофическим для схемы.

Следовательно, эти переходные процессы напряжения необходимо подавлять.

Эффект L (di / dt), который вызывается переключением индуктивных катушек, токами намагничивания трансформатора и другими приложениями переключения двигателей постоянного тока, является наиболее распространенным источником переходных процессов напряжения.

На рисунке ниже показана форма волны переходного процесса переменного тока.

Форма волны переменного тока варистора

Подключить варистор в цепь можно следующим образом:

• В цепях переменного тока: фаза-нейтраль или фаза-фаза
• В цепях постоянного тока: положительный полюс на отрицательный.

А как насчет сопротивления варистора? Следующий раздел посвящен этому.

СТАТИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ И НАПРЯЖЕНИЕ ВАРИСТОРА:

Название «Варистор» предполагает устройство, которое обеспечивает сопротивление, такое как потенциометр или реостат, однако фактическая функция варистора полностью отличается от них.

Во-первых, изменение сопротивления не может быть выполнено вручную, как в кастрюле или реостате. Во-вторых, при нормальном рабочем напряжении сопротивление варистора очень велико. Поскольку это напряжение начинает резко возрастать, в основном из-за переходных процессов напряжения, возникающих в цепи или индуцированных внешним источником, сопротивление начинает быстро уменьшаться.

Соотношение между статическим сопротивлением и напряжением на варисторе показано на рисунке ниже.

Варистор — статическое сопротивление VS напряжение

Работа варистора

Чтобы объяснить работу варистора, давайте воспользуемся его характеристикой VI, показанной на рисунке ниже, чтобы лучше понять ее.

Вольт-амперные характеристики варистора

Кривая ВАХ варистора аналогична характеристике стабилитрона. Он двунаправлен по своей природе, поскольку мы видим, что он действует как в первом, так и в третьем квадранте.Эта особенность позволяет подключать его к цепи с источником переменного или постоянного тока. Для источника переменного тока это подходит, поскольку он может работать в любом направлении или полярности синусоидальной волны.

Напряжение фиксации или напряжение варистора, показанное на рисунке, определяется как напряжение, до которого ток через варистор очень мал, в основном порядка нескольких миллиампер. Этот ток обычно называют током утечки. Это значение тока утечки связано с высоким сопротивлением варистора, когда на варистор подается напряжение ограничения.

Теперь, глядя на характеристику VI, мы видим, что, когда напряжение на варисторе превышает напряжение ограничения, происходит резкое увеличение тока.

Это происходит из-за внезапного уменьшения сопротивления в результате явления, называемого лавинным пробоем, когда выше порогового напряжения (в данном случае напряжения ограничения) электроны начинают быстро течь, тем самым уменьшая сопротивление и увеличивая ток через варистор.

Это помогает во время переходных процессов напряжения, поскольку, когда в цепи наблюдается высокое переходное напряжение, напряжение на варисторе увеличивается до значения, превышающего его номинальное (фиксирующее) напряжение, что, в свою очередь, увеличивает ток и действует как проводник.

Еще одна особенность варистора, которую можно увидеть из характеристик VI, заключается в том, что даже при увеличении тока напряжение на нем остается почти равным напряжению ограничения. Это означает, что он действует как саморегулятор даже в случае скачка напряжения, что делает его более подходящим для того же, поскольку он контролирует повышение напряжения во время такого события.

Крутая нелинейная кривая указывает на то, что через варистор могут проходить чрезмерные токи в очень узком диапазоне напряжения (что указывает на его саморегулирующиеся свойства) и отсекать любые всплески напряжения.

Емкость варистора

Как обсуждалось в предыдущих разделах, изолирующее состояние варистора означает, что приложенное к нему напряжение равно или меньше напряжения ограничения.

Варистор в непроводящем или изолирующем состоянии действует скорее как конденсатор, чем как резистор. Поскольку полупроводниковый корпус варистора действует как изолятор в изолирующем состоянии, его можно рассматривать как диэлектрический материал, а два вывода можно рассматривать как два электрода.

Таким образом, это означает, что любой варистор в непроводящем состоянии будет иметь емкость, которая пропорциональна площади полупроводникового тела и обратно пропорциональна его толщине.

Однако, когда варистор испытывает скачок напряжения на нем, он теряет свои изолирующие свойства и начинает проводить. В этом случае он больше не обладает емкостью.

Итак, возвращаясь к конденсаторному поведению варистора, возникает один главный вопрос.Одинаков ли он для цепей переменного и постоянного тока?

Ответ на этот вопрос заключается в частоте этих цепей. Как мы знаем, в цепи постоянного тока частота не играет никакой роли. Следовательно, емкость сохраняется до тех пор, пока напряжение не станет равным или меньше номинального напряжения.

В цепях переменного тока дело обстоит иначе. Здесь важную роль играет частота. Таким образом, в непроводящей области емкость варистора влияет на его сопротивление.

Поскольку эти варисторы обычно подключаются параллельно защищаемому электронному устройству, сопротивление утечки падает с увеличением частоты.Результирующее параллельное сопротивление и частота имеют линейную зависимость.

Для цепей переменного тока емкостное сопротивление определяется по формуле

  X  C  = 1 / (2Pi.fC) 

Где f = частота цепи, C = емкость. 

Таким образом, в этих цепях ток утечки увеличивается с увеличением частоты.

Теперь давайте кратко обсудим важные типы варисторов.

Типы варисторов

Тип варистора зависит от типа материала его корпуса.Ниже описаны два наиболее распространенных типа варисторов.

1. Варистор из карбида кремния : Как можно догадаться по названию, корпус варистора изготовлен из карбида кремния (SiC). Когда-то он широко использовался, прежде чем новый MOV появился на рынке. Сейчас они интенсивно используются в приложениях с высокой мощностью и высоким напряжением. Однако они потребляют значительный ток в режиме ожидания, и это главный недостаток варистора этого типа. В связи с этим требуется последовательный разрыв для ограничения энергопотребления в режиме ожидания.
2. Металлооксидные варисторы (MOV) : Поскольку SiC варисторы имели некоторые серьезные недостатки, был разработан другой тип варисторов — металлооксидные варисторы. Он обеспечивает очень хорошую защиту от переходных процессов напряжения и сейчас довольно популярен.

Здесь корпус сделан из оксида металла, в основном из зерен оксида цинка. Они спрессованы в виде керамической массы с 90% зерен оксида цинка и 10% других оксидов металлов, таких как кобальт, висмут и марганец.

Затем он помещается между двумя металлическими пластинами.10% оксидов металлов кобальта, висмута и марганца действуют как связующий агент для зерен оксида цинка, так что они остаются неповрежденными между двумя металлическими пластинами. Соединительные клеммы или выводы подключаются к двум металлическим пластинам.

На рисунке ниже показана внутренняя структура MOV.

Варистор из оксида металла — внутренняя структура

Основным преимуществом MOV перед варистором из карбида кремния является низкий ток утечки. MOV имеет очень низкий ток утечки при нормальных условиях эксплуатации.

Также MOV имеет очень высокие уровни нелинейных характеристик тока и напряжения.

Одним из недостатков этого типа является то, что импульсный ток зависит от ширины переходного импульса и количества повторений импульсов. Таким образом, для переходного импульса с большой шириной импульса импульсный ток будет расти и может вызвать проблемы с нагревом.

Однако этого нагрева можно избежать, рассеивая энергию, поглощаемую переходным импульсом.

Другой важный тип варистора представлен на рынке, известный как SMD или варистор для поверхностного монтажа.Давайте обсудим их в следующем разделе.

Варистор устройства поверхностного монтажа

Они похожи на все другие варисторы, в основном используются в схемах защиты. Корпус может быть из оксида металла или карбида кремния. Основное различие между этими варисторами и традиционными варисторами заключается в том, что они небольшие по размеру и построены с использованием технологии поверхностного монтажа. Это означает, что эти устройства могут быть легко подключены к печатной плате, поскольку их выводы меньше по размеру или у них есть контакты, припаянные к контактным площадкам на поверхности платы, что устраняет необходимость в отверстиях в печатной плате.

Некоторые из популярных варисторов SMD включают: серия AUML — многослойный ограничитель скачков напряжения, серия MLA AUTO — серия Littelfuse MLA для автомобильного многослойного варистора (MLV),

Некоторые образцы SMD показаны на рисунке ниже:

Варистор SMD

Изображение кредита

Заключение:

Термин «варисторы» представляет собой объединение двух терминов «переменные» и «резисторы». Хотя название предполагает, что это устройство будет работать как потенциометр или реостат, его работа совершенно другая.Здесь сопротивление изменяется в зависимости от напряжения.

Основное применение варистора — защита цепей от скачков напряжения.

Полупроводниковый корпус варисторов помогает тому же. Как и стабилитрон, характеристика VI варистора показывает скачок тока после определенного порогового напряжения. Это пороговое напряжение называется номинальным напряжением или напряжением ограничения. Когда напряжение, приложенное к варистору, намного ниже или равно напряжению ограничения, варистор имеет высокое сопротивление и, следовательно, считается изолирующим.Однако, когда это напряжение превышает напряжение ограничения, сопротивление падает в результате лавинного пробоя в корпусе полупроводника. В этом случае говорят, что варистор находится в проводящем состоянии.

На рынке доступны два основных типа варисторов, а именно варисторы из карбида кремния и оксида металла. Карбид кремния был постепенно заменен варисторами на основе оксида металла, поскольку первый имел довольно высокий ток утечки.

Варисторы

также доступны в устройстве для поверхностного монтажа, что упрощает их изготовление в схемах печатных плат.

Металлооксидный варистор (MOV), основы, работа, технические характеристики, рабочие характеристики, характеристики

Варистор оксида металла (MOV)

Основы варистора

Варистор / резистор, зависящий от напряжения (VDR) — это компонент, который имеет вольт-амперные характеристики, которые очень похожи на характеристики диода. Этот компонент используется для защиты электрических устройств от высоких переходных напряжений. Они вставлены в устройства таким образом, чтобы они замыкались при возникновении большого тока из-за высокого напряжения.Таким образом, компоненты устройства, зависящие от тока, будут защищены от внезапного скачка напряжения.

Я уже подробно объяснил работу и применение переменного резистора [варистора]. Чтобы узнать больше об этом, перейдите по ссылке ниже.

СМОТРЕТЬ: ПЕРЕМЕННЫЕ РЕЗИСТОРЫ — РАБОТА И ПРИМЕНЕНИЕ

Следует также отметить, что VDR в основном представляют собой неомические переменные резисторы. В случае омических переменных резисторов обычно используются потенциометры и реостат.

Чтобы узнать больше, пройдите по ссылке ниже.

ПОСМОТРЕТЬ: ПОТЕНЦИОМЕТР И РЕОСТАТ — РАБОТА И СРАВНЕНИЕ

Металлооксидный варистор — основные сведения

MOV — наиболее часто используемый тип варистора. Он называется так, потому что компонент сделан из смеси оксида цинка и оксидов других металлов, таких как кобальт, марганец и т. Д., И находится в неповрежденном состоянии между двумя электродами, которые в основном представляют собой металлические пластины. MOV — это наиболее часто используемый компонент для защиты тяжелых устройств от переходных напряжений.Между каждой границей зерна и его ближайшим соседом образуется диодный переход. Таким образом, MOV — это, по сути, огромное количество диодов, подключенных параллельно друг другу. Они предназначены для работы в параллельном режиме, так как он будет лучше справляться с энергопотреблением. Но если компонент предназначен для обеспечения лучшего номинального напряжения, лучше соединить их последовательно.

Обратный ток утечки появляется через диодные переходы каждой границы, когда к электродам прикладывается внешнее крошечное напряжение.Производимый ток также будет очень небольшим. Но когда на электроды подается большое напряжение, пограничный переход диода выходит из строя в результате сочетания туннелирования электронов и лавинного пробоя. Таким образом, устройство демонстрирует высокий уровень нелинейных вольт-амперных характеристик. Из характеристик следует также отметить, что компонент будет иметь низкое сопротивление при высоких напряжениях и высокое сопротивление при низких напряжениях.

Единственная проблема с этим компонентом заключается в том, что они не могут выдерживать переходное напряжение, превышающее превышенное номинальное.Они имеют тенденцию к ухудшению после определенного уровня. В таком случае их придется время от времени заменять. Когда они поглощают переходное напряжение, они склонны рассеивать его в виде тепла. Когда этот процесс повторяется в течение некоторого времени, устройство начинает изнашиваться из-за чрезмерного нагрева.

Их можно подключать параллельно для повышения энергоэффективности. MOV также могут быть подключены последовательно, чтобы обеспечить более высокое номинальное напряжение или номинальное напряжение между стандартными приращениями.

MOV Технические характеристики

• Максимальное рабочее напряжение — это максимальное установившееся постоянное напряжение. В этом случае значение типичного тока утечки будет меньше заданного значения.
• Напряжение варистора
• Максимальное напряжение фиксации получается, когда к компоненту прикладывается определенный импульсный ток для получения максимального пикового напряжения.
• Импульсный ток
• Сдвиг скачка напряжения относится к изменению напряжения после подачи импульсного тока.
• Поглощение энергии означает максимальную энергию, которая рассеивается для определенной формы сигнала без особых проблем.
• Емкость
• Ток утечки
• Время отклика
• Максимальное среднеквадратичное напряжение переменного тока означает максимальное значение среднеквадратичного напряжения, которое может подаваться на компонент.

Обработка металлооксидного варистора (MOV)

Работа металлооксидного варистора (MOV)

Работа MOV показана на рисунке выше.

Сопротивление MOV очень высокое. Во-первых, давайте рассмотрим, что компонент имеет разомкнутую цепь, как показано на рисунке 1 (а). Компонент начинает проводить ток, как только напряжение на нем достигает порогового значения. Когда оно превышает пороговое значение, сопротивление в MOV сильно падает и достигает нуля. Это показано на рисунке 1 (b). Поскольку в это время устройство имеет очень маленький импеданс из-за высокого напряжения на нем, весь ток будет проходить через сам металлооксидный варистор.Компонент должен быть подключен параллельно нагрузке. Максимальное напряжение, которое будет проходить через нагрузку, будет суммой напряжения, которое появляется на проводке и отключении, заданном для устройства. Также будет добавлено напряжение фиксации на MOV. После того, как переходное напряжение пройдет через компонент, MOV снова будет ждать следующего переходного напряжения. Это показано на рисунке 1 (c).

MOV Производительность

Варистор в основном используется в качестве ограничителя скачков напряжения в сети.Устройство не проводит ток, когда напряжение на нем ниже напряжения ограничения. Но, если через него проходит сильный выброс (молния), более интенсивный, чем может выдержать варистор, компонент не будет работать. Результирующий ток будет настолько высоким, что повредит MOV.

Производительность варистора со временем снижается, даже если через него проходят небольшие скачки. Срок службы MOV будет объяснен в таблице производителей. Диаграмма будет иметь графики и показания между током, временем, а также количеством переходных импульсов, которые проходят через варистор.

Другая основная причина, которая влияет на производительность MOV, — это класс энергопотребления. При увеличении номинального значения энергии произойдет экспоненциальное изменение срока службы варистора. Таким образом, произойдет изменение переходных импульсов, которыми может управлять устройство. Это увеличивает фиксирующее напряжение при выходе из строя каждого переходного процесса.

Производительность можно увеличить, подключив несколько варисторов параллельно. Поможет в этом и повышение рейтинга.

Одна из лучших особенностей MOV — время отклика.Шипы закорачиваются через устройство за наносекунды. Но на время отклика могут влиять способ монтажа и индуктивность выводов компонентов.

Как и почему происходит отказ варистора, включая эффект многоимпульсных скачков

Был 2011 год, и в Китае проводился эксперимент по регистрации воздействия сработавшей вспышки молнии на воздушной линии электропередачи. Линия была оборудована для регистрации наведенных токов, а инструменты были защищены металлооксидным варистором (MOV).Варистор часто называют MOV (металлооксидный варистор). Зарегистрированная вспышка молнии состояла из нескольких обратных ударов, ни один из которых не превышал рейтинг Imax MOV. Но, к большому удивлению экспериментаторов, MOV был поврежден.

Как такое могло случиться? И что еще более важно, почему Imax не может быть хорошей основой для выбора MOV для защиты от молний, ​​и есть ли альтернативы? Чтобы помочь ответить на эти вопросы, мы обсудим в этой статье, что такое MOV и как способ его создания влияет на его поведение при скачках напряжения, как происходят отказы и как многоимпульсные скачки отличаются от одиночных скачков по их влиянию на свойства MOV.

Основы варистора

Чтобы понять неисправность, полезно обсудить, как делаются варисторы. В этой связи следует отметить три момента.

Во-первых, варисторы представляют собой керамический материал, состоящий в основном из оксида цинка (ZnO). В условиях окружающей среды ZnO кристаллизуется в гексагональную структуру вюрцита, как показано на рисунке 1, где большие шары представляют Zn, а маленькие шары представляют кислород (O). Это сложная структура, которая, если бы она идеально кристаллизовалась, была бы изолятором.Но из-за несовершенства процесса кристаллизации образующиеся кислородные вакансии или межузельные частицы цинка превращают эту структуру в широкозонный полупроводник с относительно низким удельным сопротивлением 1-100 Ом-см при комнатной температуре.

Рисунок 1: Структура вюрцита. Большие шары представляют собой Zn, а меньшие шары представляют собой кислород.

Во-вторых, варистор — это не один однородный кристалл вюрцита, а множество, которые сливаются в зерна. Чтобы превратить ZnO в варистор, добавляется небольшое количество Bi ₂ O ₃ .Bi ₂ O ₃ входит в границы зерен, как показано на рисунке 2. В дополнение к Bi ₂ O ₃ , MnO может быть добавлен для улучшения нелинейных свойств; Sb2O3 для контроля роста зерен ZnO и небольшое количество Al ₂ O ₃ для увеличения проводимости зерен ZnO.

Рисунок 2: Типичная микрофотография варисторной структуры

Bi ₂ O ₃ между двумя зернами ZnO приводит к образованию обратных диодов Шоттки.Таким образом, по сути, варистор представляет собой последовательно-параллельную схему из материала n-типа, разделенного обратными диодами Шоттки, имеющими падение напряжения около 2–3 В на межзеренный переход (независимо от размера зерна). Согласно He [1], эта структура может быть электрически охарактеризована уравнением (1).

(1)

Где V — приложенное напряжение, а I — ток через варистор. Здесь E, A ₁ , A ₂ , V _th и m — константы, связанные с электрическими характеристиками варистора, а α — обычный нелинейный коэффициент варистора.Уравнение (1) полезно для объяснения формы кривой V-I варистора. E — энергия возбуждения варистора, K постоянная Больцмана, A ₁ , A ₂ и m — константы, связанные с электрическими характеристиками варистора, V _th — пороговое напряжение.

Первый член в уравнении (1) редко включается в описание варистора V-I. Это ток эмиссии Шоттки в слаботочной области варистора. Второй член — это обычный нелинейный ток в сильноточной области.

Константы в уравнении (1) регулируются путем изменения состава материала варистора и времени спекания в процессе производства. Пороговое напряжение V _th также зависит от состава и условий спекания. Они контролируют количество границ зерен между двумя электродами. Поскольку V _th пропорционален количеству границ зерен, большее количество границ зерен приводит к более высокому V _th .

В-третьих, это изменение в процессе изготовления варистора и сопровождающие его статистические флуктуации свойств, которые обычно возникают в поликристаллических материалах, приводят к тому, что получаемые варисторы имеют неоднородные электрические свойства.Это говорит о том, что:

1. Константы в модели варистора, такой как уравнение (1), вероятно, будут разными для каждого варистора; и
2. Не все варисторы одинаковых размеров обладают одинаковыми свойствами — важный фактор при выборе MOV для защиты.

Отказ варистора

Варисторы должны поглощать энергию, выделяемую при временном перенапряжении, импульсах переключения или грозовых импульсах. Эксперименты показывают, что различия в размерах зерен и характеристиках границ зерен вызывают неоднородную микроструктуру.Неоднородная микроструктура приводит к изменчивости возможностей управления током варистора и связанной с этим способности поглощения энергии. Это, в свою очередь, имеет прямое отношение к режимам отказа, к которым относятся электрический прокол, физическое растрескивание и тепловой разгон.

Способность к поглощению энергии можно разделить на способность поглощения тепловой энергии и способность поглощения энергии импульса. Способность к поглощению энергии импульса зависит от того, как импульс приложен:

• Напряжение единичным импульсом
• Множественное импульсное напряжение (без достаточного охлаждения между импульсами)
• Повторяющееся импульсное напряжение (при достаточном охлаждении между напряжениями)

На способность поглощения тепловой энергии, с другой стороны, в основном влияет способность рассеивания тепла всей конструкции разрядника в дополнение к электрическим свойствам варисторов.

Рисунок 3: Типичная микрофотография горячих точек границ зерен

Давайте сначала рассмотрим отказ варистора, вызванный нагревом. При более низких токах нагрев локализуется в цепочках крошечных горячих точек, которые возникают на границах зерен, где потенциал падает через барьеры типа Шоттки (см. Рисунок 3). Теплопередача в этом случае слишком быстрая, чтобы допускать перепады температур, которые могут вызвать сбой.

Теперь рассмотрим более высокие токи. В небольших варисторах (например, <25 мм), где количество зерен ZnO между электродами может составлять всего около 40, изменение в 3-4 зерна может привести к тому, что ток, протекающий по заданному пути, будет на порядок отличаться от окружающего пути.Пути с низким пробивным напряжением несут большую часть тока и становятся более горячими, что приводит к последствиям, отмеченным в исследовании Sargent и др. [4]. В этом исследовании анализ неисправных образцов MOV показал растрескивание и образование нового аморфного материала рядом с каналом проводимости. Исследование этого аморфного материала показало, что локальные горячие точки (фактически горячие каналы) образовывались, когда энергия, возникающая в результате импульса тока, приложенного к MOV, поглощалась быстрее, чем могла рассеиваться.Аморфный материал в этих горячих точках, вероятно, возник в результате образования плазмы во время импульса тока. После этого горячие точки быстро охлаждались за счет теплопроводности к окружающим зернам ZnO.

При различных текущих условиях режимы отказа включают электрический пробой (см. Рисунок 4), физическое растрескивание (см. Рисунок 5) и тепловой разгон. Трещины возникают из-за того, что варисторы в основном представляют собой керамический материал, и удар по ним резким скачком большой амплитуды подобен удару молотка по обеденной тарелке.

Рисунок 4: Типичная микрофотография прокола

Рисунок 5: Типичное образование трещин

Прокол разрушения происходит в небольших варисторах, когда ток относительно низкий и длительный (например, см. Рисунок 6). В результате варистор нагревается. Анализ прокола в этих варисторах убедительно показывает, что формируется нить с достаточно высокими температурами, чтобы расплавить Bi ₂ O ₃ (817 ^o C). Когда это происходит, последовательно включенные диоды Шоттки разрушаются, что приводит к снижению сопротивления нити накала [1].Пониженное сопротивление нити обеспечивает более высокую плотность тока, иногда вызывая достаточно высокую температуру для плавления ZnO (2000 9 · 10 13 o 9 · 10 14 C).

Рисунок 6: Пример комбинаций плотности тока и длительности импульса, которые вызывают отказ варисторов. Этот график предназначен для конкретного варистора. Для любого другого варистора шкалы могут отличаться от показанных.

Если ток будет продолжаться достаточно долго, энергия, вложенная в варистор, может повысить его температуру до точки теплового разгона из-за отрицательного температурного коэффициента удельного сопротивления материала [1].

Самые высокие импульсные токи с короткой продолжительностью могут вызвать отказ из-за растрескивания (см. Рисунок 5), который обычно возникает на краю варистора, поскольку температура увеличивается больше на краю микросхемы (белая область на рисунке 7). Причина в том, что рост зерен во время спекания часто происходит быстрее во внешней части блока, чем в центре блока, что приводит к меньшему количеству и большему количеству зерен между электродами и, следовательно, к более низкому напряжению пробоя.

Рисунок 7: Типичное тепловое сканирование варистора, работающего в импульсном режиме при сильном токе

На рис. 6 показаны условия, при которых могут возникать трещины и проколы.Для данного варистора красной сплошной линией показаны случаи, при которых может произойти растрескивание, а черной пунктирной линией — случаи, когда может произойти прокол.

Отказы из-за многоимпульсной молнии

Почему мы говорим о многоимпульсной молнии? Что ж, наблюдения за молниями и данные об искусственно инициированных молниях, обобщенные в [6], показывают, что почти 70% ударов молний между облаками и землей включают от двух до 26 ударов. У этих ударов средний геометрический интервал между ударами составляет около 60 мс.Они также могут иметь продолжительный ток с интервалом между ударами до нескольких сотен миллисекунд. Типичная многоимпульсная последовательность показана на рисунке 8.

Рисунок 8: Пример многоимпульсной молнии

Многоимпульсная молния только что описанного типа важна, потому что она способна вызывать повышение температуры, которое приводит к только что обсужденным видам отказов, в то время как единичный импульсный разряд — нет. Например, в исследовании Sargent et al [4] половина набора 18-миллиметровых образцов MOV была подвергнута многоимпульсному импульсу 8/20 скачков при номинальном токе.Эти образцы показали признаки повреждения, тогда как другая половина образцов, испытанных при однократном скачке напряжения 8/20 при номинальном токе, повторяемом с интервалами 60 секунд или более, не показала никаких повреждений. В другом многоимпульсном тесте Руссо и др. [7] без сбоев подвергли MOV 60 импульсам 20 кА 8/20 с интервалом 60 секунд. Но когда такой же тип MOV подвергся всего лишь пяти скачкам напряжения 20 кА 8/20 с интервалом в 50 мс, произошел сбой. В этих случаях отказ варистора, вероятно, был вызван накоплением тепла из-за относительно большой тепловой постоянной времени варисторов (рис. 9), что проиллюстрировано для одного всплеска с использованием теплового моделирования, как показано на рис. 10 (подробности см. В [8]).

Рисунок 9: Тепловая постоянная времени варистора

Рисунок 10: Пример повышения температуры в MOV 25 мм после одного скачка напряжения 10/63 6 кА

Как отмечалось ранее, в исследовании Sargent и др. анализ неисправных 18-миллиметровых образцов MOV, подвергнутых испытанию с многоимпульсным взрывом, показал образование около канала проводимости нового аморфного материала, для которого, как считалось, требуется локальная температура. около 1000 9 10 13 o 9 10 14 C. Тепловое моделирование предполагает, что это повышение температуры произойдет, если мощность импульса будет сосредоточена примерно в 2% от объема MOV.Это важное наблюдение, потому что расчет энергии, поглощенной при испытании многоимпульсными импульсами, показал, что повышение температуры MOV было бы только 231 9 · 10 13 o 9 · 10 14 C, если бы распределение температуры было однородным, что намного меньше, чем температура, которая, как считается, вызвала ущерб.

Результаты Sargent и др. предполагают, что критерием отказа MOV является локальное повышение температуры до 1000 9 10 13 o 9 10 14 C (или его близость). Итак, для рассматриваемого MOV нам нужно определить, может ли локализованная область достигать 1000 ^o C.На рисунке 11 показано дополнительное повышение температуры, которое происходит, когда импульс, использованный для создания рисунка 10, применяется к тому же MOV второй раз через 30 мс. Дополнительное повышение температуры происходит из-за относительно большой тепловой постоянной времени MOV, которая не позволяет MOV рассеивать много тепловой энергии (и, следовательно, охлаждение) до того, как наступит второй скачок. Повышение температуры теперь находится в красной области выше 1000 9 10 13 o 9 10 14 C, где ожидается отказ. Это пример того, как варистор может быть разрушен многоимпульсными скачками.

Рисунок 11: Пример повышения температуры для MOV 25 мм, подверженного двум скачкам напряжения 10/63 6 кА

При другом взгляде на эффекты многоимпульсной молнии, в исследовании Zhang и др. [5] изучалась прогрессия отказа варисторов при множественных ударах молнии, используя серию пятиимпульсных групп из 8/20 разрядов молнии, имеющих пульс. интервалы 50 мс и амплитуды импульсов, установленные при номинальном токе разряда 20 кА. Время между приложением одной группы импульсных токов к варистору и следующей группой импульсных токов составляло 30 минут, что позволяло вернуться к исходным условиям.

Варисторы были признаны вышедшими из строя, когда изменение исходного напряжения варистора более чем на ± 10% U _{1 мА} ; ток утечки I _{, т.е.} превысил 20 мкА; или произошло прямое повреждение (обычно в результате растрескивания кромок). Среднее изменение уровня U _{1 мА} и I _{, т. Е.} для серии групп импульсов показано на рисунке 12.

Рисунок 12: Напряжение варистора U _{1 мА} и ток утечки I _{, т. Е. Изменение варистора} при множественном импульсном токе молнии (источник: Zhang et al [5])

Рисунок 12 показывает, что в отсутствие постоянного тока одиночный многоимпульсный импульс не доставил достаточно энергии на MOV, чтобы вызвать отказ.Повторное применение многоимпульсной пачки в конечном итоге привело к отказу.

Таким образом, возможно, что единичный неразрушающий многоимпульсный пакет обусловливает отказ MOV от будущих многоимпульсных пакетов, о чем свидетельствует постоянно увеличивающийся ток утечки. Это кондиционирование можно рассматривать как своего рода ускоренный процесс износа.

Микроструктурное исследование вышедших из строя варисторов показало, что после нескольких ударов молнии размер зерна уменьшился, а доля Bi в межзеренно-пограничном слое значительно увеличилась.Эти эффекты были кумулятивным результатом нескольких токов молнии и были вызваны тепловым повреждением и повреждением структуры границ зерен из-за температурного градиента термического напряжения. Это повреждение в конечном итоге привело к отказу MOV. Обратите внимание, что при однократном испытании на помпаж этот механизм износа будет пропущен.

Комментарии

Похоже, что повторяющиеся колебания MOV изменяют его микроструктуру, и понимание того, как это происходит, важно для понимания того, как MOV выходят из строя.Что вызывает некоторые вопросы. В частности, является ли деградация микроструктуры кумулятивной, как показано на текущем графике на предыдущем рисунке? Или эффекты деградации скрыты до тех пор, пока не достигнут критической точки, как показано на графике напряжения на предыдущем рисунке? Ответ, вероятно, будет зависеть от величины и расстояния между скачками, и может быть порог величины скачка и интервал между скачками, ниже которого не происходит значительного ухудшения характеристик. Чтобы ответить на вопросы, необходимы дополнительные исследования.

Испытания короткими одиночными импульсами высокой амплитуды (например, 6 кВ, 3 кА 8/20) обычно используются для оценки отказа варистора. Этот тип испытания может вызвать режим отказа, отличный от режима отказа варистора, подверженного многоимпульсным ударам молнии с меньшей амплитудой (например, растрескивание или износ). Одноимпульсные тесты также могут пропустить сбои по накоплению тепла, которые могут вызвать многоимпульсные молнии, особенно многоимпульсные молнии, которые включают постоянный ток.

Дело в точке

Возвращаясь к отказу, описанному в начале, сработавшая вспышка молнии с множественными обратными ударами была зарегистрирована во время эксперимента с молниями.Эта вспышка повредила УЗИП, даже несмотря на то, что номинальное значение Imax для УЗИП (определенное с помощью одного импульсного теста) было намного выше, чем зарегистрированный пиковый ток освещения [9]. Почему?

Как указано в [10], причиной отказа была продолжающаяся текущая часть многоимпульсной последовательности, и продолжающийся ток не учитывается в рейтинге Imax. Продолжающийся ток накапливал достаточно энергии в MOV, чтобы вывести его из строя.

Другое соображение

Поскольку мы обычно живем в среде с многоимпульсной вспышкой молнии, типичный график снижения характеристик (созданный с помощью одиночных скачков), как показано на рисунке 13, необходимо изменить, если он будет использоваться для MOV, который был установлен для защиты от многоимпульсных молний. .В частности, линии на Рисунке 13, возникающие в результате (повторного) применения одиночных скачков, вероятно, необходимо будет уменьшить, чтобы учесть эффект микроструктурной деградации, предложенный исследованиями Zhang et al [5].

График многоимпульсного снижения характеристик может быть создан путем повторения многоимпульсного группового теста Чжана таким же образом, как это использовалось для создания диаграммы снижения номинальных характеристик на рис. 13, но теперь с использованием многоимпульсных групп вместо одиночных выбросов. Так, например, для линии с одним попаданием группа скачков с относительно узкой формой волны будет применяться при токе, который вызовет сбой во втором приложении.Затем процесс будет повторяться с использованием групп скачков с более широкими формами волны. Результатом будет что-то вроде верхней строки на Рисунке 13.

Рисунок 13: Типичные кривые снижения мощности для MOV

Точно так же амплитуда тока будет уменьшена так, что a для линии с двумя ударами вторая группа скачков вызовет отказ в третьем приложении, и процесс будет повторяться с использованием групп скачков с более широкими формами волны. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока не будет создано достаточно линий для адекватной характеристики продукта.

Заключительное примечание

Для получения дополнительной информации о варисторах см. Стандарт IEEE PC62.33 ™ на методы испытаний и рабочие характеристики металлооксидных варисторных компонентов защиты от импульсных перенапряжений [11].

Сводка

Процесс изготовления варистора и статистические колебания свойств, которые обычно возникают в поликристаллических материалах, приводят к тому, что варисторы имеют неоднородные электрические свойства. В результате несколько токопроводящих дорожек с низким пробивным напряжением несут большую часть тока и становятся более горячими.Если температура этих путей достигает около 1000 9 · 1013 o 9 · 1014 ° C, происходит плавление и MOV разрушается. В случае 18-миллиметровых MOV это повышение температуры произойдет, если неоднородности в MOV вызывают концентрацию импульсной мощности примерно в 2% от объема MOV (2% могут отличаться в других размерах MOV). Это повышение температуры могло быть причиной отказа прокола, отмеченного в случае длительных скачков низкой амплитуды.

В случае кратковременных скачков большой амплитуды отказ MOV может произойти из-за растрескивания до того, как произойдет плавление.В линиях электропередач могут возникать одиночные кратковременные скачки большой амплитуды, поэтому установленные таким образом параметры MOV могут быть подходящими для применений в линиях электропередач

Для защиты от молнии более важными могут быть характеристики, полученные при многоимпульсном испытании. Это связано с тем, что многоимпульсный удар молнии часто является движущей силой повышения температуры, поскольку он вызывает накопление энергии в MOV из-за его большой тепловой постоянной времени. Вот почему важно многоимпульсное тестирование, поскольку одно импульсное испытание может пропустить сбои, которые могут вызвать многоимпульсные молнии, в частности, износ, и особенно многоимпульсные молнии, которые включают постоянный ток.И чаще всего молнии многоимпульсного типа. При построении кривых снижения характеристик может потребоваться учитывать эффект ухудшения микроструктуры из-за повторяющихся многоимпульсных скачков.

Понимание механизма того, как помпаж MOV изменяет его микроструктуру, важно для понимания того, как MOV выходят из строя. Это тема, требующая дальнейшего изучения.

Список литературы

1. Jinliang He, Металлооксидные варисторы: от микроструктуры к макрохарактеристикам , John Wiley and Sons, 2019
2. М.Бартковяк, «Локализация тока, неравномерный нагрев и отказы варисторов ZnO», Осеннее собрание Общества исследования материалов, Бостон, Массачусетс, 1-5 декабря 1997 г.
3. Гордон Пайк, «Пробой ZnO-варисторов мощными электрическими импульсами», отчет Sandia SAND2001-2160 , июль 2001 г.
4. Р. А. Сарджент, Г. Л. Данлоп и М. Дарвениза. «Влияние многократных импульсных токов на микроструктуру и электрические свойства металлооксидных варисторов», IEEE Transactions по электрической изоляции Vol.27 № 3, июнь 1992 г.
5. Chunlong Zhang, Hongyan Xing, Pengfei Li, Chunying Li, Dongbo Lv и Shaojie Yang, «Экспериментальное исследование режима отказа варисторов ZnO при множественных ударах молнии», Electronics, , февраль 2019 г.
6. CIGRE WG C4.407, «Параметры молнии TB549 для инженерных приложений», 2013 г.
7. А. Руссо, Х. Чжан и М. Тао, «Множественные выстрелы по SPD — дополнительные испытания», Международная конференция по молниезащите (ICLP) , Шанхай, 2014 г.
8. A.R. Мартин, «Влияние многократных вспышек молнии на устройства защиты от перенапряжения с использованием MOV», в журнале Compliance Magazine , ноябрь 2017 г.