Варистор. Принцип работы и применение
Варистор является пассивным двухвыводным, твердотельным полупроводниковым прибором, который используется для обеспечения защиты электрических и электронных схем. В отличие от плавкого предохранителя или автоматического выключателя, которые обеспечивают защиту по току, варистор обеспечивает защиту от перенапряжения с помощью стабилизации напряжения подобно стабилитрону.
Слово «Варистор» является аббревиатурой и сочетанием слов «Varistor — variable resistor», резистор, имеющий переменное сопротивление, что в свою очередь описывает режим его работы. Его буквальный перевод с английского (Переменный Резистор) может немного ввести в заблуждения — сравнивая его с потенциометром или реостатом.
Но, в отличие от потенциометра, сопротивление которого может быть изменено вручную, варистор меняет свое сопротивления автоматически с изменением напряжения на его контактах, что делает его сопротивление зависимым от напряжения, другими словами его можно охарактеризовать как нелинейный резистор.
В настоящее время резистивный элемент варистора изготавливают из полупроводникового материала. Это позволяет использовать его как в цепях переменного, так и постоянного тока.
Варистор во многом похож по размеру и внешнему виду на конденсатор и его часто путают с ним. Тем не менее, конденсатор не может подавлять скачки напряжения таким же образом, как варистор.
Не секрет, что когда в цепи электропитания схемы какого-либо устройства возникает импульс высокого напряжения, то исход зачастую бывает плачевным. Поэтому применение варистора играет важную роль в системе защиты чувствительных электронных схем от скачков напряжения и высоковольтных переходных процессов.
Всплески напряжения возникают в различных электрических схемах независимо от того, работают они от сети переменного или постоянного тока. Они часто возникают в самой схеме или поступают в нее от внешних источников. Высоковольтные всплески напряжения могут быстро нарастать и доходить до нескольких тысяч вольт, и именно от этих импульсов напряжения необходимо защищать электронные компоненты схемы.
Один из самых распространенных источников подобных импульсов – индуктивный выброс, вызванный переключением катушек индуктивности, выпрямительных трансформаторов, двигателей постоянного тока, скачки напряжения от включения люминесцентных ламп и так далее.
Форма волны переменного тока в переходном процессе
Варисторы подключаются непосредственно к цепям электропитания (фаза — нейтраль, фаза-фаза) при работе на переменном токе, либо плюс и минус питания при работе на постоянном токе и должны быть рассчитаны на соответствующее напряжение. Варисторы также могут быть использованы для стабилизации постоянного напряжения и главным образом для защиты электронной схемы от высоких импульсов напряжения.
Статическое сопротивление варистора
При нормальной работе, варистор имеет очень высокое сопротивление, поэтому его работа схожа с работой стабилитрона. Однако, когда на варисторе напряжение превышает номинальное значение, его эффективное сопротивление сильно уменьшается, как показано на рисунке выше.
Мы знаем из закона Ома, что ток и напряжение имеют прямую зависимость при постоянном сопротивлении. Отсюда следует, что ток прямо пропорционален разности потенциалов на концах резистора.
Но ВАХ (вольт-амперная характеристика) варистора не является прямолинейной, поэтому в результате небольшого изменения напряжения происходит значительное изменение тока. Ниже приведена кривая зависимости тока от напряжения для типичного варистора:
Мы можем видеть сверху, что варистор имеет симметричную двунаправленную характеристику, то есть варистор работает в обоих направлениях (квадрант Ι и ΙΙΙ) синусоиды, подобно работе стабилитрона.
Из-за своего высокого сопротивления, варистор не оказывает влияние на цепь питания, пока напряжение находится на номинальном уровне. Номинальный уровень напряжения (классификационное напряжение) — это такое напряжение, которое необходимо приложить на выводы варистора, чтобы через него проходил ток в 1 мА. В свою очередь величина этого напряжения будет отличаться в зависимости от материала, из которого изготовлен варистор.
При превышении классификационного уровня напряжения, варистор совершает переход от изолирующего состояния в электропроводящее состояние. Когда импульсное напряжение, поступающее на варистор, становится больше, чем номинальное значение, его сопротивление резко снижается за счет лавинного эффекта в полупроводниковом материале. При этом малый ток утечки, протекающий через варистор, быстро возрастает, но в тоже время напряжение на нем остается на уровне чуть выше напряжения самого варистора. Другими словами, варистор стабилизирует напряжение на самом себе путем пропускания через себя повышенного значения тока, которое может достигать не одну сотню ампер.
Емкость варистора
Поскольку варистор, подключаясь к обоим контактам питания, ведет себя как диэлектрик, то при нормальном напряжении он работает скорее как конденсатор, а не как резистор. Каждый полупроводниковый варистор имеет определенную емкость, которая прямо пропорциональна его площади и обратно пропорциональна его толщине.
При применении в цепях постоянного тока, емкость варистора остается более-менее постоянной при условии, что приложенное напряжение не больше номинального, и его емкость резко снижается при превышении номинального значения напряжения. Что касается схем на переменном токе, то его емкость может влиять на стабильность работы устройств.
Подбор варистора
Чтобы для конкретного устройства правильно подобрать варистор, желательно знать сопротивление источника и мощность импульсов переходных процессов. Варисторы на основе оксидов металлов имеют широкий диапазон рабочего напряжения, начиная от 10 вольт и заканчивая свыше 1000 вольт переменного или постоянного тока. В общем необходимо знать на каком уровне напряжения нужно защитить схему электроприбора и взять варистор с небольшим запасом, например для сети 230 вольт подойдет варистор на 260 вольт.
Максимальное значение тока (пиковый ток) на которое должен быть рассчитан варистор, определяется длительностью и количеством повторений всплесков напряжения. Если варистор установлен с малым пиковым током, то это может привести к его перегреву и выходу из строя. Таким образом, для безотказной работы, варистор должен быстро рассеивать поглощенную им энергию переходного импульса и безопасно возвращаться в исходное состояние.
Варианты подключения варистора
Подведем итог
В данной статье мы узнали, что варистор это тип полупроводникового резистора, имеющий нелинейную ВАХ. Он является надежным и простым средством обеспечения защиты от перегрузки и скачков напряжения. Варисторы применяются в основном в чувствительных электронных схемах. В случае если питающее напряжение неожиданно превышает нормальное значение, варистор защищает схему за счет резкого снижения собственного сопротивления, шунтируя цепь питания и пропуская через себя пиковый ток, доходящий порой до сотен ампер.
Классификационное напряжение варистора — это напряжение на самом варисторе при протекании через него тока в 1 мА. Эффективность работы варистора в электронной или электрической цепи зависит от правильного его выбора в отношении напряжения, тока и силы энергии всплесков.
Скачать справочные материалы по зарубежным варисторам (3,0 Mb, скачано: 4 538)
www.joyta.ru
надежная защита от скачков напряжения
Варисторы – надежное средство для подавления скачков напряжения в первичных электрических цепях. Компания Littelfuse выпускает широкую линейку этих изделий, состоящую из нескольких серий, в числе которых – лидеры отрасли по рассеиваемой энергии, индустриальные варисторы серии C-III.
Чтобы быть уверенным в надежном функционировании разрабатываемого устройства, нужно уже на ранних этапах разработки продумать подавление скачков напряжения. Это может быть комплексной задачей, потому что электронные компоненты очень чувствительны к переходным процессам. Разработчик должен определить тип угрозы, из-за которой могут возникать скачки напряжения, и то, каким стандартам должно соответствовать устройство, исходя из области его применения. Варисторы чаще всего применяются для подавления скачков напряжения в первичных цепях. Компаний-производителей варисторов на рынке немало. Рассмотрим различные типы варисторов, остановимся на их физической сущности и сравним варисторы лидера рынка защитных компонентов – компании
Варистор – электронный прибор, сопротивление которого нелинейно меняется с изменением подаваемого на него напряжения, его вольт-амперная характеристика (ВАХ) схожа с ВАХ двунаправленных диодов Зенера. Варистор состоит, в основном, из оксида цинка ZNO с небольшим содержанием висмута, кобальта, магния и других элементов. Варистор из оксида металла (Metal Oxide Varistor или MOV) спекается в процессе производства в керамический полупроводник с кристаллической микроструктурой, которая позволяет рассеивать очень большие энергии, поэтому варисторы часто используются для защиты от скачков напряжения, вызванных ударами молний, связанных с переходными процессами, с индуктивными нагрузками, электростатическими разрядами в цепях переменного и постоянного тока, а также в промышленных линиях питания. Помимо этого, варисторы используются в сетях с постоянным напряжением, например, в низковольтных источниках питания или автомобильных цепях. Процесс производства варисторов позволяет придать им разнообразную форму. Однако наиболее распространенным форм-фактором варисторов является диск c радиальными выводами.
Характеристики варистора
Тело варистора представляет собой изотропную гранулярную структуру оксида цинка ZnO (рисунок 1). Гранулы отделены друг от друга, и их граница разделения имеет ВАХ, схожую с p-n-переходом в полупроводниках. Эти границы при низких напряжениях имеют очень низкую проводимость, которая нелинейно увеличивается с увеличением напряжения на варисторе.
Рис. 1. Фотография гранулярной структуры варистора, сделанная с помощью электронного микроскопа
Симметричная ВАХ показана на рисунке 2. Благодаря ей варистор отлично справляется с подавлением скачков напряжения. Когда они появляются в цепи, сопротивление варистора уменьшается во множество раз: от почти непроводящего состояния до высокопроводящего, уменьшая импульс напряжения до безопасного для цепи значения. Таким образом, потенциально опасная для элементов цепи энергия входного импульса напряжения абсорбируется варистором и защищает компоненты, чувствительные к скачкам напряжения.
Рис. 2. Симметричная ВАХ варистора
В местах соприкосновения микрогранул варистора возникает эффект проводимости. Так как количество гранул в объеме варистора очень велико, абсорбируемая варистором энергия значительно превышает энергию, которая может пройти через единичный p-n переход в диодах Зенера. В процессе прохождения тока через варистор весь проходящий заряд равномерно распределяется по всему объему. Таким образом, количество энергии, которую может абсорбировать варистор, напрямую зависит от его объема. Величина рабочего напряжения варистора и максимального тока зависят от расстояния между электродами, между которыми находятся гранулы оксида цинка. Однако есть множество других технологических моментов, которые обуславливают эти электрические параметры: технология гранулирования и спекания, влияющая на размер гранул и их площадь соприкосновения, присоединение металлических выводов, покрытие варистора, легирующие добавки. Например, диапазон рабочих температур дисковых варисторов зависит от типа покрытия диска: у варисторов с эпоксидным покрытием диапазон -55…85°С, у фенолового покрытия, встречающегося у варисторов Littelfuse серии C-III, этот диапазон расширен до 125°С. Также расширенный диапазон рабочих температур имеет большинство серий варисторов для поверхностного монтажа.
Рассмотрим подробнее принцип работы варистора.
В его корпусе между металлическими контактами находятся гранулы со средним размером d (рисунок 3).
Рис. 3. Схематическое изображение микроструктуры металл-оксидного варистора
Токопроводящие гранулы оксида цинка со средним размером гранулы d разделены между собой межгранулярными границами.
При разработке варистора для заданного номинального напряжения Vn основным параметром является количество гранул n, заключенных между контактами, что, в свою очередь, влияет на размер варистора. На практике его материал характеризуется градиентом напряжения В/мм, измеренном в коллинеарном направлении с нормалью к плоскости варистора. Для контроля состава и условий производства градиент должен быть постоянным. Так как физические размеры варистора имеют определенные пределы, то сочетание примесей в составе прибора позволяет достичь заданного размера гранул и нужного результата.
Фундаментальным свойством ZnO-варистора является его практически постоянное падение напряжения на границах гранул во всем объеме. Наблюдения показывают, что вне зависимости от вида варистора, падение напряжения на границе соприкосновения гранул всегда составляет 2…3 В. Падение напряжения на границах гранул не зависит и от размера самих гранул. Таким образом, если опустить разные способы производства и легирования оксида цинка, то напряжение варистора будет зависеть от его толщины и размера гранул. Эта зависимость может быть легко выражена в следующем виде (формула 1):
, (1)
где d – средний размер гранулы.
Учитывая
,
получаем данные, представленные в таблице 1.
Таблица 1. Зависимость структурных параметров варистора от напряжения
| Напряжение варистора Vn, В~ | Средний размер гранулы, мкм | n | Градиент, В/мм при 1 мА | Толщина варистора, мм |
| 150 | 20 | 75 | 150 | 1,5 |
| 25 | 80 | 12 | 39 | 1 |
Напряжение варистора Vn – это напряжение на вольт-амперной характеристике, где происходит переход из слабопроводящего состояния на линейном участке графика в нелинейный режим высокопроводящего состояния. По общей договоренности для стандартизации измерений был выбран ток 1 мА.
Несмотря на то, что варисторы могут за несколько микросекунд абсорбировать большое количество энергии, они не могут продолжительно находиться в проводящем состоянии. Поэтому в некоторых случаях, когда, например, напряжение в сети на продолжительное время увеличивается до уровня срабатывания, варистор начинается сильно греться. Его перегрев может закончиться возгоранием (рисунок 4). Для защиты от этого стали применяться термисторы. Варистор со встроенным термистором защищен от перегрева, что продлевает его срок службы и защищает устройство от возможного возгорания.
Рис. 4. Результат увеличения напряжения в сети на продолжительное время
Проведем сравнительный анализ наиболее популярных варисторов производства компаний Littelfuse, Epcos и Fenghua с рабочим напряжением 250 и 275 В (АС rms) и диаметром диска 10, 14 и 20 мм.
Как видно из таблицы 2, рассеиваемая варистором энергия зависит не только от его размеров, но и от технологии производства и материалов, которые использованы для выпуска серии. Заметим, что серия индустриального класса С-III производства компании Littelfuse вышла на первое место, серия UltraMOV тоже показала очень высокие характеристики, оказавшись на уровне конкурентов – серии Advanced производства Epcos. Также можно отметить, что варисторы C-III при меньшем габарите (D = 14 мм) имеют большую энергию рассеивания, чем стандартные серии конкурентов, имеющие большие размеры (D = 20 мм), а разница в рассеиваемой энергии между качественными варисторами в корпусе D = 20 мм и стандартными варисторами в корпусе D = 10 мм может отличаться на порядок.
Таблица 2. Сравнительный анализ наиболее популярных варисторов производства компаний Littelfuse, Epcos и Fenghua
| Наименование | Производитель | Серия | D, мм | VRMS, В | Imax (8/20 мкс), А | Wmax (2 мс), Дж |
| V275LA40CP | Littelfuse | C-III | 20 | 275 | 10000 | 320 |
| V250LA40CP | Littelfuse | C-III | 20 | 250 | 10000 | 300 |
| B72220S2271K101, S20K275E2 | Epcos | AdvanceD | 20 | 275 | 10000 | 215 |
| B72220S2251K101, S20K250E2 | Epcos | AdvanceD | 20 | 250 | 10000 | 195 |
| V20E275P | Littelfuse | UltraMOV® | 20 | 275 | 6500 | 190 |
| V20E250P | Littelfuse | UltraMOV® | 20 | 250 | 6500 | 170 |
| B72220S0271K101, S20K275 | Epcos | StandarD | 20 | 275 | 8000 | 151 |
| V275LA20CP | Littelfuse | C-III | 14 | 275 | 6500 | 145 |
| FNR-20K431 | Fenghua | General | 20 | 275 | 6500 | 140 |
| B72220S0251K101, S20K250 | Epcos | StandarD | 20 | 250 | 8000 | 140 |
| V250LA20CP | Littelfuse | C-III | 14 | 250 | 6500 | 135 |
| FNR-20K391 | Fenghua | General | 20 | 250 | 6500 | 130 |
| B72214S2271K101, S14K275E2 | Epcos | AdvanceD | 14 | 275 | 6000 | 110 |
| V14E275P | Littelfuse | UltraMOV® | 14 | 275 | 4500 | 110 |
| B72214S2251K101, S14K250E2 | Epcos | AdvanceD | 14 | 250 | 6000 | 100 |
| V14E250P | Littelfuse | UltraMOV® | 14 | 250 | 4500 | 100 |
| FNR-14K431 | Fenghua | General | 14 | 275 | 4500 | 75 |
| B72214S0271K101, S14K275 | Epcos | StandarD | 14 | 275 | 4500 | 71 |
| FNR-14K391 | Fenghua | General | 14 | 250 | 4500 | 70 |
| V275LA10CP | Littelfuse | C-III | 10 | 275 | 3500 | 70 |
| B72214S0251K101, S14K250 | Epcos | StandarD | 14 | 250 | 4500 | 65 |
| V250LA10CP | Littelfuse | C-III | 10 | 250 | 3500 | 60 |
| B72210S2271K101, S10K275E2 | Epcos | AdvanceD | 10 | 275 | 3500 | 55 |
| V10E275P | Littelfuse | UltraMOV® | 10 | 275 | 2500 | 55 |
| B72210S2251K101, S10K250E2 | Epcos | AdvanceD | 10 | 250 | 3500 | 50 |
| V10E250P | Littelfuse | UltraMOV® | 10 | 250 | 2500 | 50 |
| FNR-10K431 | Fenghua | General | 10 | 275 | 2500 | 45 |
| B72210S0271K101, S10K275 | Epcos | StandarD | 10 | 275 | 2500 | 43 |
| FNR-10K391 | Fenghua | General | 10 | 250 | 2500 | 40 |
| B72210S0251K101, S10K250 | Epcos | StandarD | 10 | 250 | 2500 | 38 |
Обзор варисторов производства компании Littelfuse c разбивкой на серии и области применения представлен в таблице 3.
Таблица 3. Области применения варисторов Littelfuse
| Сегмент | Типовое применение и примеры | Серия | Технология | SMD-монтаж |
| Низковольтное оборудование, одноплатные устройства | Наладонные и портативные приборы, контроллеры, измерительное оборудование, компьютеры, дистанционные датчики, порты ввода/вывода и интерфейсы, медицинское оборудование | СН | MOV | + |
| MA, ZA, RA, UltraMOV, CIII | MOV | |||
| ML, MLE, MLN, MHS | MLV | + | ||
| Электросети, сетевые фильтры | Источники бесперебойного питания, измерители мощности, источники питания переменного напряжения, LED-драйверы, блоки питания, промышленные источники питания, автоматы, сетевые фильтры, бытовая электроника, управление питанием | TMOV, UltraMOV, CIII, LA, HA, HB, HG, HF, DHB, TMOV34S, RA | MOV | – |
| SM20, SM7, CH | MOV | + | ||
| Автомобильная электроника | ABS, шины данных, контроллеры электродвигателей, сервоприводы, подушки безопасности, управление зеркалами, стеклоподъемниками, щетками | SM7, CH | MOV | – |
| ZA, LV UltraMOV | MOV | – | ||
| AUML, ML, MLE, MLN, MHS | MLV | + | ||
| Телекоммуникационное оборудование | Сотовые и DECT-телефоны, роутеры, модемы, сетевые карты, защита абонентского оборудования, T1/E1/ISDN, защита шин данных | SM7, CH | MOV | – |
| ZA, LV UltraMOV | MOV | – | ||
| SM20, SM7, ML, MLE, MLN, MHS | MLV | + | ||
| Мощное индустриальное оборудование | Силовые реле, соленоиды, драйверы электродвигателей, источники питания, роботы, большие двигатели/насосы/компрессоры | DA/DB, BA/BB, CA, HA, HB, HC, HG, HF, DHB, TMOV34S, CIII, UltraMOV | MOV | – |
Литература
- http://www.littelfuse.com/.
- Electronics Circuit Protection Product Selection Guide.
- http://www.littelfuse.com/~/media/electronics/product_catalogs/littelfuse_product_selection_guide.pdf.pdf.
- Metal-Oxide Varistors (MOVs).
- http://www.littelfuse.com/~/media/electronics/product_catalogs/littelfuse_varistor_catalog.pdf.pdf.
Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.
Наши информационные каналы
Рубрики: статьяО компании Littelfuse
Компания Littelfuse является ведущим мировым производителем компонентов и устройств для защиты электрических и электронных цепей любого рода. Поставляемые компанией компоненты и системы, во многих случаях являются жизненно важными для устройств в практически всех отраслях и видах продукции: от бытовой электроники и автомобилей до электроэнергетики. Littelfuse предлагает наиболее широкий и полный спектр компонентов и систем защиты цепей на рынке электронных компонентов. Компания расширяет и н …читать далее
www.compel.ru
Варистор, варисторная защита — принцип действия, применение
Варисторная защита, построенная на использовании полупроводниковых резисторов нелинейного типа, служит прекрасным средством для защиты от импульсных перенапряжений.
Варистор отличает резко-выраженная вольт-амперная характеристика нелинейного вида. Благодаря этому свойству с помощью варисторной защиты успешно решаются задачи по защите различных бытовых устройств и производственных объектов.
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
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.
Параметры варисторов
- Номинальное классификационное напряжение Uкл – считается постоянным показателем, при этом значении через прибор проходит расчетный ток.
- Максимально допустимое значение напряжения импульса, для варисторов стержневого типа входит в границы от 1,2 В до 2 В, для дисковых устройств в пределы от 3 до 4 В.
- Коэффициент нелинейности β – он показывает отношение сопротивления варистора к постоянному току к его сопротивлению переменному току.
- Быстродействие или время срабатывания, обозначает переход из высокоомного положения в низкоомное и может составить несколько нс, примерно, 25 нс.
Защита варисторами
Варисторы защитного типа, марок: ВР-2, ВР-2; СН2-1; СН2-2 рассчитаны на напряжение в границах от 68В до 1500 В, энергия рассеивания в диапазоне от 10 до 114 Дж, коэффициент нелинейности должен превышать значение 30.
Напряжение варисторов защитного класса удовлетворяет показателям максимально возможного пикового напряжения силовой связи, обязательно должно учитываться границы нестабильности напряжения до 10% и разброс величин классификационного напряжения в зависимости от технологических условий.
Uкл ≥ Uном * *1,1 * 1,1
Для сети U = 220В, Uкл ≥ 375 В.
Для трехфазной сети напряжением Uном = 380 В; Uкл ≥ 650 В
Сфера применения варисторов
Приборы используются в устройствах стабилизирующих высоковольтные источники напряжения в телевизорах, для обеспечения стабильного протекания токов в отклоняющих катушках кинескопов, они используются для размагничивания цветных кинескопов и в системах автоматического регулирования.
Варистор применяется в конструкции сетевого фильтра, он производит блокировку импульса перенапряжения и осуществляет защиту и по фазной, и по нулевой цепи.
Рис. №2. Сетевой фильтр с использованием варисторной защиты от импульсных перенапряжений, современная защита может погасить выброс энергии до 3400 Дж, это условие обеспечивает защиту от любых экстренных неожиданных ситуаций.
Большое распространение варисторы получили в конструкции мобильных телефонов для предохранения их от статичного электричества.
Автомобильная электроника и телекоммуникационные сети, еще одна распространенная сфера применения варисторов. Варисторы используются для люминесцентного освещения для защиты от перенапряжения ЭПРА.
Аналогом варисторной защиты служит молниезащита ОПН от перенапряжений и от гроз в высоковольтных цепях, на воздушных линиях и подстанциях.
Внутренняя электросеть в здании оборудуется шкафами от импульсных перенапряжений.
Рис. №3. ЩЗИП – щит от импульсного перенапряжения.
Конструктивная особенность защиты от перенапряжений в здании и размещения ее в щите. Это разнос шины заземления и фазного провода на большое расстояние друг от друга более 1 метра. Подборка элементов в шкафу и установка УЗИП требует внимательного расчета и выбирается в индивидуальном порядке для каждой определенной электроустановки.
Пишите комментарии,дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.
elektronchic.ru
Варисторы как средство защиты радиоэлектронной аппаратуры
Документация
Главная Справочник Документация
«Документация» — техническая информация по применению электронных компонентов, особенностях построения различных радиотехнических и электронных схем, а также документация по особенностям работы с инженерным программным обеспечением и нормативные документы (ГОСТ).
Оглавление
Надежность работы радиоэлектронной аппаратуры во многом определяется качеством питающих электрических сетей, в которых могут иметь место перенапряжения длительностью от сотен миллисекунд до нескольких секунд, провалы напряжения длительностью до десятков миллисекунд, пропадания (отсутствие напряжения более одного периода) и так далее. На рис. 1 показаны наиболее часто встречающиеся неполадки в электросети и их процентное соотношение.
Особенно опасны высоковольтные импульсы амплитудой до нескольких киловольт и длительностью от десятков наносекунд до сотен микросекунд. Именно они могут приводить к серьезным сбоям электронной аппаратуры и выходу ее из строя, а также быть причиной пробоя изоляции проводов и даже их возгорания.
Импульсы напряжения, которые можно отнести к внешним сетевым помехам (рис. 2), возникают в различных цепях аппаратуры, в первую очередь, в проводах питания.
Во-первых, они могут наводиться электромагнитными импульсами искусственного происхождения от передающих радиостанций, высоковольтных линий электропередач, сетей электрифицированных железных дорог, электросварочных аппаратов.
Идентифицировать и систематизировать причины таких помех практически невозможно. Однако для бытовых электрических сетей напряжением 220 В приняты следующие ориентировочные параметры внешних импульсных напряжений:
- амплитуда — до 6 кВ;
- частота — 0,05…5 МГц;
- длительность — 0,1…100 мкс.
Во-вторых, они могут быть естественного происхождения и наводиться мощными грозовыми разрядами.
Рис. 2
В-третьих, они могут создаваться статическим напряжением, разряд которого достигает 25 кВ. Высоковольтные импульсы способны возникать и в самой аппаратуре при ее функционировании в результате переходных процессов, при срабатывании электромагнитов, размыкании контактов реле, коммутации реактивных нагрузок и так далее. Наибольшую угрозу представляют импульсы, возникающие при отключении индуктивной нагрузки.
По указанным причинам радиоэлектронная аппаратура должна быть защищена от высоковольтных импульсных помех. Чтобы аппаратура могла быть сертифицирована, она должна пройти проверку на устойчивость к воздействию импульсных помех. Например, ГОСТ Р 51317.4.4-99 (МЭК 61000-4-4-95) распространяется на электротехнические, электронные и радиоэлектронные изделия и устанавливает требования и методы их испытаний на устойчивость к наносекундным импульсным помехам (НИП).
В настоящее время для защиты радиоэлектронной аппаратуры от внешних импульсных воздействий применяются различные виды экранировки, RC- и LC-фильтры, газоразрядные приборы (разрядники) и полупроводниковые ограничители напряжения (ПОН). К сожалению, разрядники не обладают необходимым быстродействием, а быстродействующие ПОН, с высокой нелинейностью вольтамперной характеристики (ВАХ) не способны рассеивать большую мощность из-за малого объема p-n-перехода. Это обуславливает резкое уменьшение допустимого тока в импульсе, протекающем через прибор.
В последнее время наиболее эффективным средством защиты аппаратуры от любых импульсных напряжений признаны оксидно-цинковые варисторы. Варисторы [англ. varistor, от vari (able) — переменный и (resi) stor — резистор] — это нелинейные резисторы, сопротивление которых зависит от приложенного напряжения. Отличительной чертой варистора является двухсторонняя симметричная и резко выраженная нелинейная ВАХ (рис. 3).
Рис. 3
Электрические характеристики варистора определяются большим сопротивлением утечки и емкостью, которая незначительно изменяется под воздействием напряжения и температуры.
При больших напряжениях на варисторе, и соответственно, больших токах, проходящих через него, плотность тока в точечных контактах оказывается также большой. Разогрев точечных контактов приводит к уменьшению их сопротивления и, как следствие, к нелинейности ВАХ. Малые объемы активных областей обеспечивают малую инерционность тепловых процессов, что определяет их высокое быстродействие. Наряду с этим варисторы способны хорошо поглощать высокоэнергетические импульсы напряжения, так как тепловая энергия рассеивается не на отдельных зернах полупроводника, а на всем его объеме.
Особенностью ВАХ варистора является наличие участка малых токов (условно от нуля до нескольких миллиампер), в котором находится рабочая точка варистора и участок больших токов, который определяет защитные свойства и, в частности, напряжение ограничения. В области малых токов ВАХ описывается выражением:
I=AUβ,
где I — ток, A; U — напряжение, В; А — коэффициент, значение которого зависит от типа варистора и от температуры; β — коэффициент нелинейности, который характеризует крутизну ВАХ и определяется отношением статического сопротивления варистора (R = U/I) к дифференциальному (r = dU/dI) в определенной точке:
β=R/r = U/l·dl/dU.
Экспериментально коэффициент нелинейности можно оценить по формуле:
β= lgI2-lgI1/lgU2-lgU1 = lgI2/I1/lgU2/U1.
Чаще всего коэффициент нелинейности определяется при токе 1 мА и 10 мА, поэтому:
β=1/lgU2/U1.
Для варисторов на основе оксида цинка коэффициент нелинейности обычно составляет 20…60. Варисторы имеют достаточно большую емкость (100…50000 пф) в рабочем режиме (когда нет импульсов напряжения). При воздействии импульса их емкость падает практически до нуля.
Одной из важнейших характеристик варистора является классификационное напряжение — Uкл — напряжение на варисторе при токе, равном 1 мА. Иногда приводится коэффициент защиты варистора — отношение напряжения на варисторе при токе 100 А к напряжению при токе 1 мА (то есть к классификационному напряжению). Он характеризует способность варистора ограничивать импульсы перенапряжения и для варисторов на основе оксида цинка находится в пределах 1,4…1,6. Таким образом, при росте напряжения в 1,4…1,6 раза ток через них возрастает в 100 000 раз.
Важной характеристикой варистора является допустимая мощность рассеивания, определяемая его геометрическими размерами и конструкцией выводов. Для увеличения мощности рассеивания часто применяют массивные выводы, играющие роль радиатора.
При возникновении высоковольтного импульса сопротивление варистора резко уменьшается до долей Ома и шунтирует нагрузку, защищая ее и рассеивая поглощенную энергию в виде тепла. При этом через варистор может протекать импульсный ток, достигающий нескольких тысяч ампер. Так как варистор практически безынерционен, то после исчезновения помехи его сопротивление вновь становится большим. Таким образом, включение варистора параллельно защищаемому устройству не влияет на работу последнего в нормальных условиях, но гасит импульсы опасного напряжения (рис. 4).
Выбор типа варистора осуществляется на основе анализа его работы в двух режимах: в рабочем и импульсном. Рабочий режим определяется классификационным напряжением Uкл, а импульсный — рассеиваемой мощностью. Для ориентировочных расчетов рекомендуется, чтобы рабочее постоянное напряжение на варисторе не превышало 0,85 Uкл, а при переменном токе действующее значение рабочего напряжения не превышало 0,6 Uкл.
В импульсном режиме через варистор протекает большой ток, вследствие чего необходимо опасаться выхода его из строя из-за перегрева. С этой целью необходимо использовать варисторы с рассеиваемой мощностью большей, чем расчетная.
Для расчета варисторов, защищающих те или иные цепи от грозового разряда, иногда приводят сведения о напряжении на варисторе при воздействии стандартного грозового импульса. На рис. 5 показана форма этого импульса, который часто называют «импульсом 8/20 мкс».
Очевидно, что варисторы могут работать и при последовательном включении. При этом в них протекает одинаковый ток, а общее напряжение делится пропорционально сопротивлениям (в первом приближении — классификационным напряжениям), в той же пропорции разделится поглощаемая энергия. Сложнее обеспечить параллельную работу варисторов — необходимо строгое совпадение их ВАХ. Эта задача вполне разрешима при последовательно-параллельной схеме включения — т.е. варисторы последовательно собираются в столбы, а столбы соединяются параллельно. При этом подбором варисторов обеспечивают совпадение ВАХ столбов, которые собираются в блоки с нужными параметрами. Варисторы изготавливаются в обычном исполнении (дисковые, прямоугольные), в виде блоков различной формы и в виде чипов, что позволяет существенно экономить место на печатной плате (рис. 6).
Отечественные предприятия выпускают варисторы для различных сфер применения, это серии СН, ВР, МЧВН/ВС, МОВН/ВС и другие.
Из зарубежных производителей варисторов большую номенклатуру выпускает компания EPCOS. Ее приборы имеют следующую систему обозначений:
Чип и прямоугольные варисторы
SIOV- CN 1210 M 4 G
Варистор_________________________|Тип варистора(CN,CU,SR)_______________|
Размер__________________________________|
Точность: K-10%, M-20%_______________________|
Классификационное напряжение__________________|
Тип упаковки_____________________________________|
Дисковые варисторы
SIOV S 14 K 250 G5 S6
Варистор________________________|Тип варистора(S,B25 и др.)___________|
Диаметр варисторного диска_____________|
Точность: K-10%, M-20%__________________|
Классификационное напряжение______________|
Тип упаковки_________________________________|
Тип формовки выводов___________________________|
Другие зарубежные компании-производители часто используют следующую систему обозначений выпускаемых варисторов:
DNR 0,5 D 181 M R S
Производитель________________________________________________|Диаметр в мм, может быть 0,5;0,7;10;14;20______________________________|
Дисковый варистор____________________________________________________|
Классификационное напряж. (расшиф.»18″ и «0»= 180 В)_______________________|
Точность:J=5%, K-10%, M-20%________________________________________________|
Упаковка(R-катушка, В-россыпь)________________________________________________|
Выводы (S-прямые, К-формованные)______________________________________________|
Рис. 6
Таблица 1
| Типы варисторов Параметры | Чип | Дисковые | Автомобильные | |||||
| CN | CU | S | SR | CN- AUTO | SU- AUTO | S- AUTO | SR- AUTO | |
| Импульсный ток (8/20 мкс), кА | 1,2 | 10 | 1 | 2 | ||||
| Поглощаемая энергия, Дж | 23 | 410 | 12 | 25 | 100 | |||
| Средняя рассеиваемая мощность, Вт | 0,25 | 1,0 | 0,03 | 0,2 | ||||
| Время срабатывания, нс | ||||||||
| Рабочая температура, °С | -55..125 | -40..85 | -40..+85 | -55..125 | -40..85 | -55..125 | -40..85 | |
| Типоразмер | 0603..220 0 | 3225; 032 | SO5..S2O | 1210; 2220 | 0805..2220 | — | S07..S20 | 1210; 1812; 2200 |
В табл. 1, 2 приведены параметры оксидно-цинковых варисторов, выпускаемых компанией EPCOS.
Рис. 7
Таблица 2
| Типы варисторов Параметры | Для тяжелых условий | Блоки | Комбинированные | |||
| В25; ВЗО; 40; LS40 | В6О | В80 | PD80 | Е32 | SHCV-SR1, SR2 | |
| Импульсный ток (8/20 мкс), кА | 40 | 70 | 100 | 100 | 65 | 1 |
| Поглощаемая энергия, Дж | 1200 | 3000 | 6000 | 6000 | — | 12 |
| Средняя рассеиваемая мощность, Вт | 1,4 | 1,6 | 2,0 | 2,0 | — | 0,03 |
| Время срабатывания, нс | — | |||||
| Рабочая температура °С | -40…85 | -40…85 | -40…85 | -40…85 | -25…60 | -40…85 |
В заключение следует отметить, что для эффективной защиты аппаратуры от воздействия различных сетевых помех необходимо использовать сетевые фильтры с многоступенчатой защитой. Например, в сетевом фильтре «АРС PowerManager» (рис. 7) массивные стержневые индукторы 1 обеспечивают фильтрацию электромагнитных помех, оксидно-цинковые варисторы 2 обеспечивают общий и нормальный режимы защиты от высоковольтных импульсов, а конденсаторы 3 фильтруют радиочастотные помехи и выравнивают слабые и средние колебания напряжения.
Дата публикации: 08.10.2003
Оглавление
Мнения читателей
- re / 16.09.2017 — 16:49
[сеня / 10.08.2011 — 07:11 каким варистором можно защитить холодильник . предположительно перепад напряжения от 220 до 380 вольт. спасибо что потратили время] ’20D 511k’ или ’20D 561k’ - александр-витебск / 15.06.2017 — 22:00
СПАСИБО - леонид / 22.09.2015 — 14:12
в этл сгорел варистор с обозначением по прилагаемой схеме 4в где найти его параметры - ден / 27.02.2015 — 23:48
Чем заменить 10d471k бп - в / 06.01.2015 — 14:03
на сварочном аппарате можно поставить варистор взамен термистра - Не понял / 08.11.2012 — 17:54
У меня в БП взорвались два варистора, на одном из них можно разглядеть обозначение: @V07K UEI 150. Что это значит? Стоят они в параллель конденсаторам фильтра после моста, кондеры на 200в каждый. Не могут же они быть на 15 вольт. - Вован / 16.07.2012 — 09:20
Для ууу: написано — «…это нелинейные резисторы, сопротивление которых зависит от приложенного напряжения.» Не путайте людей. никакой плазмы и механики там нет. Для Евгений: «Таким образом, при росте напряжения в 1,4…1,6 раза ток через них возрастает в 100 000 раз.» те всплеск напряжения будет минимум до Uкл + еще немного в зависимости от схемы до него. Например до тока сжигания предохранителя по рис. 3, а если ток неограничен, то будет феерверк (На индуктивности просто напряжение самоиндукции понизится). Сейчас читал статью, там вместо варистора используют супрессор. Вроде его эквивалент только посовременней. Я в кнопке от дрели видел сгоревший стабилитрон. Недооценили мощность ЭДС самоиндукции при проектировании. Запаял туда 6 стабилитронов телевизионных на 125 В по 1 Вт.(2 столбика встречно по 3 шт. в столбике последовательно), правда после замены кнопки. - Lena / 16.06.2012 — 22:49
I’m not wtorhy to be in the same forum. ROTFL - ренат / 09.06.2012 — 15:16
большое спасибо за инфу. хотелось бы конечно прочитать побольше про влияние индуктивных нагрузок на работу варистора - радикал / 17.05.2012 — 09:10
Статья очень понятная,полезная и нужная!А для таких дебилов,как «никэнэйм»,тупых и ограниченых,никакие статьи не помогут!Он-эмбрион,обученый матам.Модераторам надо это учесть и не засорять РУССКИЙ язык.Спасибо. - ууу / 06.04.2012 — 11:32
И еще не определен срок службы варисторов. Если тепловое расширение устанавливает контакт, то по идее тепловое расширение также разрушает поверхность контакта. Для первоначального локального прогрева по идее нужен разряд. А он в свою очередь получается за счет плазмы. Плазма получается из материалов электродов. Соответственно каждое срабатывание защиты постепенно уничтожает сам варистор. Нигде не смог найти подобную информацию. Передирают друг у друга одно и тоже. - чайник / 10.03.2012 — 11:06
я, прочитав эту статью, что — то не очень понял принцип и работу варистора, но мне очень понравилось, ведь это такая наука! я то сам — начинающий специалист в этом деле, но мне интересно всё, что с этим связано. завтра, короче, у препода спрошу про работу и эффективность. ну и прочее. а так спасибо! интересно! 🙂 🙂 10.03.2012.15:05. - сеня / 10.08.2011 — 07:11
каким варистором можно защитить холодильник . предположительно перепад напряжения от 220 до 380 вольт. спасибо что потратили время - Василь / 03.07.2011 — 17:33
Спасибо за нужную инфу ! - Анатолий / 31.03.2011 — 06:37
В магнето сгорел варистор 7D431K На какое он напряжение? - Геша / 10.02.2011 — 05:32
Статья — что надо. - Вовка / 26.11.2010 — 17:50
Жаль про расшифровку других марок нету - 12val12 / 19.11.2010 — 20:16
Очепятка «Классификационное напр(расшиф.»18» и «0»= 180В)_______|» нужно «18» и «1» =180 В - Евгений / 30.08.2010 — 07:14
Спасибо!!! полезная информация, но мне не ясно, гашения импульса происходит до ном. U ??????? - Владимир / 26.08.2010 — 09:41
Внатуре ребята спасибо,все клево написано,я сразу въехал в суть происходящего !!!
Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному вышематериалу:
www.radioradar.net
Варистор — что это такое?
В статье изучим что такое варистор, узнаем принцип его действия, рассмотрим основные характеристики и параметры, которыми обладает данное полупроводниковое устройство.
Варистор – это полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от подаваемого на него напряжения. Имеет нелинейную симметричную вольт-амперную характеристику. Изготавливается прессованием из таких полупроводников как оксид цинка(ZnO) или карбид кремния (SiC). Из-за своего ВАХ, варистор может применяться в цепях переменного и постоянного тока.
Свое название варистор получил от английского словосочетания Variable Resistor, что дословно переводиться как переменный резистор. От слова Variable взяли начало, а от Resistor – конец. В отличии от переменного резистора в привычном понимании, варистор обладает немного другими свойствами и путать их не стоит.
Корпус варистора обычно выполняется в виде дисков и таблеток. Но так же существуют корпуса стержнем и с подвижные контактом (подстроечные варисторы).
Варистор имеет условно графическое обозначение (УГО) как у резистора, но с наклонной чертой и буквой U. Буква U на УГО указывает на то, что сопротивление этого элемента цепи зависит от напряжения. На схемах и платах обозначается двумя буквами RU и цифрой (порядковый номер на схеме). А вот так выглядит нелинейная симметричная вольт-амперная характеристика варистора.
Нужны варисторы для защиты цепей от перенапряжения. В электронике и низковольтных сетях они служат для защиты от статического электричества. Варисторы можно найти почти во всех электронных устройствах – от блоков питания до электронного пускорегулирующего аппарата светильника люминесцентных ламп. Есть варисторы и в smd варианте, они очень похожи на диоды и сложно отличаемы в схемах.
Как работает варистор?
Принцип работы варистора достаточно прост. Рассмотрим ситуацию, когда варистор защищает от перенапряжения. В схему он включается параллельно защищаемой цепи. При нормальном режиме работы он имеет высокое сопротивление и протекающий через него ток очень мал. Он имеется свойства диэлектрика и не оказывает никакого влияния на работу схемы. При возникновении перенапряжения, варистор моментально меняет свое сопротивление с очень высокого, до очень низкого и шунтирует нагрузку. Известно, что ток идет по пути наименьшего сопротивления, поэтому варистор поглощает это перенапряжение и рассеивает эту энергию в атмосферу, в виде тепла. После того, как напряжение стабилизируется, сопротивление снова возрастает и варистор «запирается». Надеюсь даже чайник понял принцип работы. Если что-то не ясно, рекомендуется ознакомиться с видео.
Если напряжение будет выше того, которое может выдержать и рассеять варистор, то он выйдет из строя. Корпус его треснет либо развалиться на части. В некоторых случаях он может взорваться. Поэтому, в целях защиты основной схемы, рекомендуется ограждать его от основных компонентов защитным экраном либо монтировать его вне корпуса, особенно для высоковольтных схем. Как проверить варистор мультиметром — узнаете тут.
Как говорилось выше, варистор подключается параллельно нагрузке:
- В цепях переменного тока – фаза — фаза, фаза – ноль;
- В цепях постоянного тока – плюс и минус.
Так как варистор закорачивает цепь питания, перед ним всегда монтируется плавкий предохранитель. Несколько примеров схем включения варистора:
Характеристики и параметры варисторов
- Классификационное напряжение (Varistor Voltage) — это величина напряжения, при котором ток в 1 мА протекает через варистор;
- Максимально допустимое переменное напряжение (Maximum Allowable Voltage — ACrms) — Это среднеквадратичное значение переменного напряжения (rms) в вольтах. Это та величина, при которой варистор «открывается» и понижается его сопротивление, тем самым он начинает выполнять свою задачу;
- Максимально допустимое постоянное напряжение (Maximum Allowable Voltage — DC) — Варистор можно использовать в цепях постоянного тока, этот параметр показывает напряжение «открытия», но уже для постоянного напряжения. Указывается в вольтах. Обычно выше, чем величина для переменных цепей;
- Максимальное напряжение ограничения (Maximum Clamping Voltage) – максимальное напряжение в вольтах, которое может выдержать корпус варистора без выхода из строя. Обычно указывается для конкретной величины тока;
- Максимальная поглощаемая энергия – указывается в джоулях (Дж). Величина импульса, которую может рассеять варистор, не выходя из строя;
- Время срабатывания – обычны указывается в наносекундах (нс). Это время, которое требуется варистору для изменения величины сопротивления от очень высокого, до очень низкого;
- Допустимое отклонение (Varistor Voltage Tolerance) – это допустимое отклонение квалификационного напряжения варистора, указывается оно в процентах (%). Это фиксированные величины ±5%, ±10%, ±20% и т.д. В импортных варисторах величина отклонения, зашифрованна в определенную букву и указывается в маркировке варистора, каждая фирма может использовать свои маркировки. К примеру, для варисторов фирмы Joyin принято такое обозначение: K — ±10%, L — ±15%, M — ±20%, P — ±25%.
Подбор варисторов осуществляется по специальным справочникам на основе вышеописанных параметров. Узнаем значения своей цепи и защищаемого оборудования. На основе этого выбираем варистор, который нужно ставить.
Маркировка варисторов
Обычно на корпусе варистора написана очень длинна маркировка, сейчас на примере 20D471K расшифруем маркировку и узнаем его характеристики.
- 20D – это диаметр варистора, в данном случае 20мм. Чем больше диаметр – тем больше энергии может рассеять варистор. По данному параметру можно косвенно судить о максимальной энергии, которую он может поглотить. Чем больше – тем лучше.
- 47 — Классификационное напряжение варистора, 470 вольт.
- 1K — допустимое отклонение квалификационного напряжения варистора, как было указано выше, K – это ±10%.
Обычно у производителей маркировки отличаются друг от друга, но незначительно. Примеры маркировки этого варистора, но от разных производителей: Epcos — S20K300, Fenghua — FNR-20K471, TVR -TVR20D471, CNR — CNR20D471, JVR — JVR-20N471K.
Как видим, у фирмы Epcos маркировка показывает на число 300, это уже не классификационное напряжение, а максимально допустимое переменное напряжение. В любом случае не рекомендуется гадать самому с маркировкой, если есть возможность, то лучше воспользоваться поисковиками либо справочником и получить всю подробнейшую информацию о нужном вам варисторе.
Заключение
Варистор – это достаточно надежный и дешевый компонент, такой себе простак и универсал. Может работать в разных условиях (переменные и постоянные цепи, высокие частоты), выдерживать большие перегрузки. Он нашел применение во всех нишах связанных с электричеством и не только как защитник от перенапряжения. Варистор используют как: регуляторы и стабилизаторы, в качестве ограничителей перенапряжения. Из недостатков: высокий шум на низких частотах, так же из-за внешних условий и старения, он может изменять свои параметры.
electroinfo.net