Как работает варистор. Подключение варисторов, применение варисторов, подбор варистора

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

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

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

Характеристики варистора

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

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.

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):

где d – средний размер гранулы.

Учитывая

,

получаем данные, представленные в таблице 1.

Таблица 1. Зависимость структурных параметров варистора от напряжения

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.

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

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

Таблица 3. Области применения варисторов Littelfuse

Литература

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

Варистор - что это такое, где он применяется, и зачем необходим? Данный элемент электронных схем довольно редко используется, поэтому название его не на слуху. Давайте исправим это и ознакомимся с его работой и принципом устройства.

Общая информация

Электроустановки обладают изоляцией, которая соответствует Реальный показатель может отличаться от теоретического значения. Но работа будет обеспечиваться в случае, если отклонение невелико и находится в рамках разрешенного диапазона. И всё же электрооборудование часто выходит из строя из-за импульса напряжения. Так называют резкое изменение характеристики в определённой точке, когда следует восстановление до первоначального уровня за небольшой промежуток времени. Импульсы могут быть грозовые и коммутационные. Чтобы защититься от таких перепадов, используют различные устройства, среди которых фильтры, цепочки и много других разработок. Но наиболее успешным оказался варистор. Что это такое? Так называют эффективное и дешевое средство защиты от импульсов, которое базируется на нелинейных полупроводниковых резисторах. Принцип их действия прост: варистор включается параллельно к защищаемому оборудованию и в нормальном режиме на него влияет рабочее напряжение защищаемого устройства. Когда наступает экстренная ситуация, то он начинает функционировать как изолятор. Их отличительной чертой является симметричная и хорошо выраженная нелинейная вольт-амперная характеристика.

Действия варистора

Когда возникает импульс, то устройство в силу нелинейности характеристики быстро уменьшает свое сопротивление (до долей Ома) и шунтирует нагрузку. Таким образом она защищается, а поглощенная энергия рассеивается в виде тепла. Во время таких процессов в варисторах может протекать ток величиной в несколько тысяч ампер. Учитывая практически безынерционность устройства, после того как импульс погашен, он опять становится прибором с большим сопротивлением. Таким образом, в нормальных условиях он не влияет на работу электрооборудования. Но есть будут импульсы то будьте уверены - они срежутся. Это обеспечивает сохранность даже слабой изоляции.

Самые популярные образцы

Говоря про варистор, что это такое, нельзя обойти стороной материалы, из которых он изготавливается. Наибольшее распространение получили те устройства, которые сделаны с использованием Это обусловлено несколькими причинами:

1. Простота изготовления.
2. Цинк имеет хорошую способность к поглощению высокоэнергетических импульсов напряжения.

Создаются они по «керамической» технологии, которая включает в себя прессование, обжиг, нанесение электродов и электроизоляции, пайку выводов и монтаж влагозащитных покрытий. Благодаря простоте изготовления они могут создаваться даже под индивидуальные заказы.

Маркировка

Мы уже достаточно внимания уделили изучению того, чем является варистор. Маркировка этого прибора сложна, и поэтому при приобретении устройства о нём нельзя судить по данным, размещенным на корпусе. Рассмотрим на вот таком примере: есть CNR-06D400K. CNR - это название типа, в данном случае перед нами металлооксидный варистор. 06 - он имеет диаметр в 6 миллиметров. D - перед нами дисковый варистор. 400 - напряжение срабатывания. K - эта буква говорит о том, что допуск возможного отклонения имеет погрешность в 10%. Если говорить о компьютерной технике, то у них варисторы рассчитаны на 470В. Согласитесь, немало. Но ведь существует не один варистор! Маркировка этих деталей проводится каждым крупным производителем по-своему, поэтому универсальных и стандартизированных правил распознавания нет. Поэтому нужно пользоваться или помощью продавцов, или прибегать к услугам справочников.

Изображение

Если мы не хотим, чтобы техника сгорела, то нам важен варистор. Обозначение на схеме выглядит как у обычного резистора, только есть ещё косая линия и буква U. Она говорит о том, что рабочие характеристики напрямую зависят от величины напряжения. Но может и по-другому выглядеть варистор. Обозначение на схеме для него задаётся как RU, после чего указываются цифры. Число является порядковым номером, а вот буквы обозначают название устройства: резистор-варистор. Также могут быть информационные обозначения. Это можно отнести к популярной отечественной продукции, которая изготавливается на заводе «Прогресс» в Ухте. Их варистор на схеме может быть промаркирован буквами от А до Г.

Проверка работоспособности элемента

Вот у нас в руках есть варистор. Как проверить его работоспособность? Начинать всегда необходимо с внешнего осмотра устройства. Необходимо внимательно поискать на корпусе сколы, трещины, почернения или следы нагара. Если есть внешние дефекты, то уже одно это говорит о том, что элемент необходимо заменить или не использовать вообще. Если при осмотре не было выявлено проблем, то можно приступать к проверке мультиметром. В этом случае тестер необходимо переключить на режим замера максимального сопротивления. Вот самый простой способ узнать, рабочий ли варистор. Как проверить его работоспособность, мы уже рассмотрели, теперь давайте обсудим, как же подбирать необходимые элементы.

Оптимальный рабочий режим

В силу высокой линейности устройства найти наилучшие параметры для схемы - задача не из легких. Для этого применяются довольно сложные и многочисленные расчеты. Большую важность в этом случае играет рабочий ток, значение которого должно быть минимальным и не вести к перегреву устройства. Но здесь приходится балансировать. Ведь если использовать слишком малой рабочий ток, то увеличится ограничение напряжения, и устройство не будет выполнять свою основную функцию. В качестве "ленивого" варианта можно взять на вооружение такой принцип: рабочее постоянное напряжение не должно превышать 0,85 от порога варистора. Но этот простой подход на практике является малоприменимым. Ведь работа варистора специфическая, и желаемый результат, а также рамки ограничения должны подбираться под каждый конкретный случай.

Выбор и установка

Про то, что варисторы должны размещаться параллельно защищаемому электрооборудованию, мы уже говорили. Наиболее предпочтительным местом монтажа варисторов считается место после (если смотреть со стороны нагрузки, которую необходимо защитить). В качестве примера уже готового решения можно привести продукцию ранее упомянутого завода «Прогресс» с названием «Импульс-1». Такой варистор предназначен для того, чтобы его закрепляли на электрощите. Благодаря ему можно просто реализовать схему защиты трехфазных нагрузок с соединением «звезда» или «треугольник». Или в качестве альтернативы выбрать защиту 3 электроустановок, которые питаются от трехфазной сети.

Параметры

Говоря про варистор, что это такое, нельзя обойти вниманием его характеристики, которые важны в работе:

1. Классификационное напряжение. Так называют величину, при которой ток в 1 мА протекает через устройство.
2. Максимальное допустимое переменное напряжение. Под этим понимается величина, при которой варистор срабатывает и начинает выполнять возложенные на него защитные функции.
3. Максимальное допустимое постоянное напряжение. То же, что и с предыдущим вариантом. Но в данном случае этот параметр касается работы с постоянным током.
4. Максимальное Это величина, при которой варистор может работать без повреждений. Как правило, указывается отдельно для разных значений тока. Если превысить эту величину, то варистор треснет надвое или даже разлетится на куски.
5. Максимальная поглощаемая энергия. Указывается в джоулях. Является величиной максимальной энергии импульса, которая может быть рассеяна варистором в виде тепла без угрозы разрушить само устройство.
6. Время срабатывания. Это промежуток, за который устройство переходит из одного состояния в другое, если было превышено максимальное допустимое напряжение. Как правило, измеряется в десятках наносекунд.
7. Допустимое отклонение. Это величина, изменение на которую квалификационного напряжения варистора считается нормой. Всегда указывается в процентах. Как можно было понять из статьи ранее, данный параметр обозначается буквой в конце маркировки.

Использование

Давайте рассмотрим, к примеру, сеть на 220 Вольт. Для неё оптимальными будут устройства, у которых напряжение срабатывания находится в диапазоне 275-420В (но здесь есть некоторые технические нюансы, которые мы трогать не будем). В качестве используется три варистора. Они блокируют проникновение импульсов по цепи фазы и нуля. А почему их три? Бывает иногда такое, что в новостях проскакивают сообщения о проблемах, вследствие которых электроники лишились тысячи людей. Такое бывает, когда вместо нуля и фазы по проводам идёт только последняя. Для аппаратуры это почти всегда верная смерть. Но наличие варистора на нуле позволяет успешно защищать от таких ситуаций. В качестве показательного примера можно привести мобильные телефоны. Чтобы они не перегорели, используют миниатюрные многослойные варисторы. Кроме этого, их можно встретить в телекоммуникационном оборудовании и автомобильной электронике.

Все, кто сталкивался с радиоэлектронной аппаратурой, наверняка обратили внимание, что название большинства электронных компонентов заканчивается на «стор». Резистор, транзистор , тиристор, стабистор.

Рассмотрим ещё один компонент электронных схем. Он называется варистор и представляет собой резистор , сопротивление которого меняется в зависимости от величины подаваемого напряжения.

Varistor (Variable Resistor) так и переводится – изменяющееся сопротивление. А вот так варистор обозначается на принципиальных схемах.

Английская буква U рядом с наклонной чертой указывает на то, что сопротивление электронного компонента зависит от напряжения. На схемах варистор обычно маркируется двумя буквами RU , а после них ставиться порядковый номер варистора в схеме (1, 2, 3...).

Варистор является полупроводниковым прибором, изготовленным из порошка карбида кремния (SiC) или окиси цинка (ZnO) методом прессования. У варистора симметричная и нелинейная вольт-амперная характеристика, поэтому он может применяться в цепях постоянного и переменного тока. Варисторы обладают крайне полезным для электрических цепей качеством. Они способны резко менять своё сопротивление при превышении напряжением определённого порога срабатывания.

В случае возникновения импульса напряжения способного вывести из строя электронное устройство, варистор практически мгновенно изменяет своё сопротивление от сотен МОм до десятков Ом, то есть закорачивает цепь питания, поэтому перед варистором всегда ставится обычный плавкий предохранитель.

Раньше для таких защитных целей ставились газонаполненные разрядники, но их быстродействие и надёжность не идут ни в какое сравнение с параметрами варисторов. Например, дисковый варистор без выводов и впаиваемый непосредственно в печатную плату имеет время срабатывания не превышающее нескольких наносекунд.

Варистор подключается параллельно цепи питания. При отсутствии опасных импульсов напряжения ток, протекающий через него, имеет небольшую величину и варистор не влияет на работу схемы, так как по сути является диэлектриком.

Если возник импульс перенапряжения, варистор из-за нелинейности характеристики уменьшает своё сопротивление практически до нуля. Нагрузка шунтируется, а поглощённая энергия рассеивается в виде тепла. Варистор не обладает инерцией, поэтому после «срезания» импульса он мгновенно снова приобретает очень большое сопротивление.

Если импульс перенапряжения был слишком большой и мощный, то варистор выходит из строя. Порой его корпус трескается, а то и вообще раскалывается на несколько частей.

Бывает, что варистор очень выручает при неполадках в электросети, так как принимает высоковольтный импульс на себя и способствует скорейшему разрыву цепи. При этом основная часть схемы остаётся невредимой. На фото блок питания от проектора, который вышел из строя после скачка напряжения в электросети 220V.

После замены плавкого предохранителя работа проектора была полностью восстановлена. Никакого сложного ремонта, кроме замены предохранителя и самого варистора не потребовалось. Вот так одна небольшая деталь может спасти дорогостоящий прибор.

Параметры варисторов.

Основные параметры варисторов:

Классификационное напряжение варистора (Varistor Voltage). Это величина напряжения, при котором через варистор протекает ток величиной 1 mA. Этот параметр не является рабочим и скорее является условным. При подборе варистора следует обращать внимание на параметры, о которых речь пойдёт далее;

Максимально допустимое переменное напряжение (Maximum Allowable Voltage – ACrms). Для варисторов указывается среднеквадратичное значение переменного напряжения (rms). Это величина переменного напряжения, при котором варистор "срабатывает" и начинает пропускать через себя ток, выполняя свои защитные функции;

Максимально допустимое постоянное напряжение (Maximum Allowable Voltage – DC). Тоже, что и максимально допустимое переменное напряжение но для постоянного тока. Как правило, величина этого параметра больше, чем для переменного тока. Указывается также в вольтах (V);

Максимальное напряжение ограничения (Maximum Clamping Voltage). Это максимальное напряжение, которое способен выдержать варистор без повреждения. Как правило оговаривается для конкретной величины протекающего через варистор тока. При превышении напряжения ограничения варистор выходит из строя. Корпус варистора при этом растрескивается надвое или вовсе разлетается на куски.

Максимальная поглощаемая энергия в джоулях (Дж). Это величина максимальной энергии импульса, которую может рассеять варистор в виде тепла без угрозы разрушения самого варистора;

Время срабатывания - время, за которое варистор переходит из высокоомного состояния в низкоомное при превышении максимально допустимого напряжения. Для широко распространённых варисторов это значение составляет несколько десятков наносекунд (нс). Например, 25 нс.

Допустимое отклонение (Varistor Voltage Tolerance) – допустимое отклонение квалификационного напряжения варистора. Указывается в процентах – %. Может быть ±5%, ±10%, ±20% и т.д. В маркировке импортных варисторов значение допуска зашифровывается в маркировку варистора буквой. Например, для варисторов фирмы Joyin принято такое обозначение: K – ±10%, L – ±15%, M – ±20%, P – ±25%. Таким образом, для варистора типа JVR-07N391K – отклонение составляет не более ±10%.

При подборе варисторов для электронных схем лучше обращаться к справочному листку (даташиту) на конкретный варистор. Это будет более разумным решением, так как на корпус импортных варисторов наноситься только величина квалификационного напряжения, по которому достаточно сложно судить о параметрах защитного элемента.

Применение варисторов.

Для обычной сети 220 вольт устанавливают защитные варисторы с напряжением срабатывания 275 – 420 вольт. Вот пример надёжно защищённого сетевого фильтра.

Этот сетевой фильтр защищают три варистора. То есть надёжно блокируется проникновение импульса не только по фазовой цепи, но и по цепи нуля. Варистор RU1 стоит между фазой и нулевым проводником. Он осуществляет основную защиту. Два других RU2 и RU3 подключаются между фазой и землёй и между нулём и землёй. Очень часто бывает ситуация когда на целой улице у всех пользователей вышла из строя вся электронная бытовая аппаратура. О таких случаях были даже телепередачи, когда тысячи человек не могли разобраться на кого писать заявление в суд.

А всё дело в том, что на линии электроснабжения, питающей допустим улицу или микрорайон, вместо фазы и нуля по обоим проводам пошла фаза. Это почти верная смерть для незащищённой бытовой аппаратуры. То есть между проводами N и PE, если всё нормально, напряжения быть не должно. В случае появления фазы на проводе N варистор RU2 благополучно зашунтирует защищаемый блок. Это один из примеров использования варисторов в цепях питания бытовой электронной аппаратуры.

Миниатюрные многослойные варисторы уже давно используются в схемах мобильных телефонов и защищают их от статического электричества. Так же варисторы используются для надёжной защиты компьютерных разъёмов и выводов микропроцессоров от той же статики. Варисторы активно применяются в автомобильной электронике и телекоммуникационном оборудовании.

Варисторы можно встретить во входных цепях блоков питания . Вот фото варистора 391KD14 на плате резервируемого блока питания.

А здесь варистор FNR-14K391 установлен в схему охранного прибора "Гранит" для защиты его блока питания от всплесков напряжения в электросети 220V.

Обнаружить варистор можно и на платах электронного балласта для люминесцентных ламп. На фото показан варистор MYG-10K471, установленный в схему электронного пуско-регулирующего аппарата (ЭПРА) для четырёх линейных люминесцентных ламп. На плате он обозначен как RU.

Варисторы для защиты бытовой электроники обычно выпускаются в виде диска с двумя выводами. Чем больше диаметр диска, тем более мощный импульс напряжения способен погасить варистор. Мощность импульса или энергию, которую способен "погасить" варистор обычно измеряют в джоулях (Дж).

Вот, например, несколько варисторов. Значение диаметра варистора в миллиметрах, как правило, вводится в маркировку самого варистора, например, JVR-07 N391K (диаметр – 7 мм.).

Диаметр самого большого варистора типа MYG-14K391, изображённого на фотографии – 14 мм. (~70 Дж), чуть поменьше варистор MYG-10K471 – 10 мм. (~45 Дж), а маленького JVR-07N391K – 7 мм. (~30 Дж).

В скобках указана величина энергии поглощения в джоулях (Дж). Как видим, варистор, обладающий самым большим диаметром в 14 мм. способен погасить энергию опасного импульса в 70 джоулей, в то время как самый маленький варистор диаметром 7 мм. способен погасить всего лишь 30 джоулей. Таким образом, по величине диаметра варистора можно косвенно судить о его максимальной энергии поглощения. Понятно, что в электронные схемы предпочтительнее устанавливать варисторы, рассчитанные на большую энергию поглощения. Также рекомендуется устанавливать в схему по два одинаковых варистора, включенных параллельно.

Также существуют варисторы и для SMD монтажа. По внешнему виду они напоминают SMD диоды и поэтому их достаточно сложно отличить.

К варисторам отечественного производства относятся изделия марки СН2-1А, СН1-2-1, ВР-4В и др.

Конечно, у варисторов имеются недостатки, но они не столь значительны по сравнению с газоразрядными приборами. Прежде всего, варисторы обладают довольно большими шумами на низкой частоте, а также меняют свои параметры со временем и от воздействия температуры.

Стоит заметить, что среди защитных компонентов кроме варистора существует ещё один электронный компонент – супрессор . Это так называемый защитный диод или трансил. По своим функциям (но не устройству!) он чем-то похож на варистор, но обладает большим быстродействием и, как правило, используется в низковольтных цепях.

Кроме маломощных варисторов, которые применяются для защиты бытовой аппаратуры, промышленность выпускает очень мощные варисторы на большие напряжения и токи. Они используются на трансформаторных подстанциях и всегда включаются в системы грозозащиты.

При установке варисторов в самодельные конструкции следует иметь в виду, что иногда, при возникновении критических условий варисторы могут «взрываться» и чтобы предохранить монтаж и другие радиоэлектронные компоненты от последствий такого «взрыва» их стараются помещать в защитные экраны. Если сравнивать варисторы из карбида кремния и оксида цинка то, по мнению специалистов, вторые предпочтительнее.

В каждом доме есть дорогостоящая электронная техника. Любые приборы на полупроводниковых элементах имеют слабую изоляцию. Так что небольшое повышение напряжение может сжечь электронику. Часто изменение напряжения в бытовых сетях происходит импульсно, то есть напряжение резко повышается на доли секунды, а потом возвращается до нормального уровня.

Импульсы напряжения бывают грозовые и коммутационные.

Грозовые скачки напряжения появляются при ударах молний прямо в электроустановку или линию передачи, или же близко возле них. Грозовые разряды могут причинить вред бытовым сетям, даже если удар в электросеть произойдет на удалении до 20 км.

Коммутационные скачки напряжения создаются при коммутации электрооборудования с реактивными элементами. То есть при включении оборудования, которое построено с использованием большого количества конденсаторов, а также имеет мощные катушки индуктивности и трансформаторы.

Самые высокие коммутационные скачки напряжения создают электродвигатели и конденсаторные батареи.

Для обеспечения надежной защиты от импульсных напряжений должны быть обеспечены три ступени защиты в сетях до 1000 В. В каждой ступени защиты применяются разные по конструкции и по параметрам устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).

Первая ступень защиты должна быть установлена на понижающей подстанции или непосредственно у входа в здание. В качестве УЗИП применяются чаще всего разрядники иногда и мощные варисторы.

Режимы работы УЗИП первой ступени самые тяжелые – величины импульсных токов 25-100 кА, крутизна фронта волны 10/350 мкс, длительность фронта волны 350 мкс. Быстросъемные УЗИП с ножевыми контактами здесь практически не применяются. Потому что импульсные токи величиной 25-50 кА, при разряде молний, создают огромные электродинамические силы, которые легко вырывают съемные части устройства. Кроме того, при разрывании соединения, через воздушный зазор зажигается плазменная дуга, разрушающая ножевые контакты.

Наиболее предпочтительно на первом участке применять воздушные разрядники. Тем более что серийно варисторы для импульсных токов свыше 20 кА не выпускаются. Так как мощные варисторы делаються с большими выводами, которые выполняют роль радиаторов, рассеивая чрезмерное тепло.

Вторая ступень защиты необходима для удаления остаточных, меньших по амплитуде, импульсов после первой ступени. Каждый хозяин дома сам определяет, нужна эта ступень защиты или нет. Устанавливается защита на вводе электричества в дом, в отдельном электрощите.

В качестве УЗИП для второй ступени используются защитные элементы с ножевыми контактами. Внешне защитные элементы с ножевыми контактами представляют собой две отдельные части. Одна часть – гнездо с ножевыми контактами, которое закрепляется на DIN-рейку в электрощите. Другая часть – съемный модуль, который является непосредственно варистором. Защитный варистор должен выдерживать импульсные токи в границе 15-20 кА, с крутизной волны 8/20 мкс. Съемные модули могут быть оснащены индикатором срабатывания, по которому можно определить исправность устройства. Более дорогие модели имеют терморасцепители в своей конструкции, защищающие от перегрева варистор, при длительном протекании импульсных токов.

Третья ступень защиты устанавливается внутри всех электронных бытовых приборов. В качестве УЗИП для бытовых электроприборов применяются только небольшие варисторы, рассчитанные на крутизну волны 1,2/50 мкс, 8/20 мкс и на импульсные токи до 15 кА. Варисторы с монтажными выводами припаиваются внутри прибора на плату или закрепляется отдельно и подключаются отдельными проводами.

Схема включения.

Все варисторы подключаются параллельно нагрузке, правильнее их будет включать между фазовым проводом и .

В трехфазной сети, при подключении нагрузки «звездой», варисторы включаются между каждой фазой и проводом заземления. А при подключении нагрузки «треугольником», варисторы устанавливаются между фазами.

Варисторы, как нелинейные элементы, при повышенном напряжении резко уменьшают свое сопротивление практически до нуля, и поэтому не могут длительно выдерживать повышенные импульсные токи. Поэтому рекомендуется защитить УЗИП второй ступени защиты плавкими предохранителями, которые нужно подключить последовательно с устройством защиты в разрыв фазового провода.

Правильно выбирать варисторы по напряжению срабатывания. При этом напряжении элемент снижает свое сопротивление и гасит опасное импульсное напряжение. Информация о напряжении срабатывания и о крутизне волны импульса наноситься на поверхность варистора или указывается в техническом паспорте к нему.

В тандеме с данной статьей полезно ознакомиться с видео-дополнением:

Монтаж защитного заземления Электрозвонки. Установка и подключение Подключение цифровой камеры видеонаблюдения Восстановление гелевых необслуживаемых аккумуляторов

Varistors (название образовано от двух слов Variable Resistors — изменяющиеся сопротивления) — это полупроводниковые (металлооксидные или оксидноцинковые) резисторы, обладающие свойством резко уменьшать свое сопротивление с 1000 МОм до десятков Ом при увеличении на них напряжения выше пороговой величины. В этом случае сопротивление становится тем меньше, чем больше действует напряжение. Типичная вольт-амперная характеристика варистора имеет резко выраженную нелинейную симметричную форму (рис. 1.4), т. е. он может работать и на переменном напряжении.

Рис. 1.4. Вольт-амперная характеристика варистора

Варисторы подсоединяют параллельно нагрузке, и при броске входного напряжения основной ток помехи протекает через них, а не через аппаратуру.

Таким образом, варисторы рассеивают энергию помехи в виде тепла. Так же, как и газоразрядник, варистор является элементом многократного действия, но значительно быстрее восстанавливает свое высокое сопротивление после снятия напряжения.

Достоинством варисторов , по сравнению с газрядниками, являются:

Большее быстродействие;

Безынерционное отслеживание перепадов напряжений;

Выпускаются на более широкий диапазон рабочих напряжений (от 12 до 1800 В); о длительный срок эксплуатации;

Имеют более низкую стоимость.

Они широко применяются в промышленном оборудовании и приборах бытового назначения:

а) для защиты полупроводниковых приборов: тиристоров, симисторов, транзисторов, диодов, стабилитронов;

б) для электростатической защиты входов радиоаппаратуры;

в) для защиты от электромагнитных всплесков в мощных индуктивных элементах;

г) как элемент искрогашения в электромоторах и переключателях.

Типовое значение времени срабатывания варисторов при воздействии перенапряжения составляет не более 25 не, но для защиты некоторых видов оборудования его может оказаться недостаточно (для электростатической защиты необходимо не более 1 не). Поэтому совершенствование технологии изготовления варисторов во всем мире направлено на повышение их быстродействия. Так, например, фирме “S+M Epcos”, благодаря применению при изготовлении варисторов многослойной структуры SIOV-CN и их SMD-исполнения (безвыводная конструкция для поверхностного монтажа), удается добиться времени срабатывания менее 0,5 не (при расположении таких элементов на печатной плате для получения указанного быстродействия уже необходимо минимизировать индуктивности внешних соединительных проводников). В дисковой конструкции варисторов за счет индуктивности выводов время срабатывания увеличивается до нескольких наносекунд.

Малое время срабатывания, высокая надежность, отличные пиковые электрические характеристики в широком диапазоне рабочей температуры при малых размерах ставят многослойные варисторы на первое место при выборе элементов защиты от статических зарядов.

Рис. 1.5. Внешний вид варисторов

Например, в области производства сотовых телефонов многослойные варисторы можно считать уже стандартом в защите от статического электричества. CN-варисторы могут надежно защищать от статических разрядов: клавиатуры, разъемы для подключения факса и модема, соединители зарядных устройств, входы интегральных аналоговых микросхем, выводы микропроцессоров.

Основными параметрами, которые используют при описании характеристик варисторов, являются:

Un — классификационное напряжение, обычно измеряемое при токе 1 мА, — это условный параметр, который указывается при маркировке элементов;

Um – максимально допустимое действующее переменное

напряжение (среднеквадратичное);

Um= — максимально допустимое постоянное напряжение;

Р — номинальная средняя рассеиваемая мощность, это та, которую варистор может рассеивать в течение всего срока службы при сохранении параметров в установленных пределах;

W — максимальная допустимая поглощаемая энергия в джоулях (Дж), при воздействии одиночного импульса. От этой величины зависит, как долго может действовать перегрузка (с максимальной мощностью Рт) без опасности повредить варистор, т. е.:

Ipp — максимальный импульсный ток, для которого время нарастания/длительность импульса: 8/20 мкс;

Со — емкость, измеренная в закрытом состоянии, при работе ее значение зависит от приложенного напряжения, и когда вари-стор пропускает через себя большой ток, она падает до нуля.

Для применения рабочее напряжение у варисторов выбирается исходя из допустимой энергии рассеяния и максимально допустимой амплитуды напряжения. Напряжение ограничения примерно равно квалификационному напряжению (Un) варистора. Для ориентировочных расчетов рекомендуется, чтобы на переменном напряжении оно не превышало Uвх <= 0,6Un, а на постоянном — Uвх < 0,85Un.

Для сети с действующим напряжением 220 В (50 Гц) обычно устанавливают варисторы с классификационным напряжением не ниже 380…430 В. Для варистора с классификационным напряжением 430 В при импульсе тока 100 А напряжение будет ограничено на уровне около 600 В.

В России крупнейшим производителем варисторов (СН2-1, BP-1, СН2-2) является завод «Прогресс» (г. Ухта). Параметры некоторых из них приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2. Основные параметры варисторов отечественного производства

Примечание. Емкость для отечественных варисторов не указывается.

Из всего разнообразия выпускаемых за рубежом варисторов параметры одного из типов, имеющих дисковую конструкцию, приведены в табл. 1.3 (другие типы имеют близкие параметры). Они выпускаются на рабочие напряжения от 4 до 1500 В с небольшим шагом, но в продаже вы вряд ли найдете все номиналы из ряда (в случае необходимости можно заказать их изготовление на любое напряжение для поставки больших партий), но обычно можно использовать ближайшие номиналы из ряда в сторону увеличения напряжения.

Таблица 1.3. Основные параметры дисковых варисторов серии TVR

Для повышения рассеиваемой мощности варисторы можно включать последовательно (или параллельно, если подбирать их по идентичным параметрам). Размеры варисторов зависят от мощности, но так как такие элементы работают при импульсной перегрузке, чаще указывают рассеиваемую энергию в джоулях:

которая связана с мощностью соотношением:

Для выбора варистора с необходимой энергией рассеивания для защиты нагрузок, потребляющих мощность более 1…2 кВт, в практических расчетах можно руководствоваться приведенной в формулой:

где W — максимальная мгновенная энергия в джоулях;

Р — номинальная мощность нагрузки, приходящаяся на одну фазу, Вт;

а — коэффициент нелинейности варистора;

f — частота переменного напряжения, Гц;

n — КПД защищаемой нагрузки.

Максимально допустимое значение рассеиваемой энергии у примененного варистора должно превышать эту величину.

Так как перегрев варистора приводит к его повреждению, выпускаются такие элементы и с уникальными свойствами, например, имеющие температурную защиту — размыкающий механический контакт в защищаемой цепи, что значительно повышает надежность работы узла.

Сравнение основных характеристик варисторов разных типов можно найти в Интернет [Л 12]. Суть его заключается в том, что отечественные производители выпускают компоненты по техническим параметрам не хуже, чем это делают за рубежом (правда, приобрести их радиолюбителю намного сложней — в продаже чаще можно встретить импортные).

В качестве основного недостатка варистора можно отметить его большую собственную емкость, которая вносится в цепь. В зависимости от конструкции, типа и номинального напряжения эта емкость может составлять от 80 до 30000 пФ. Впрочем, для некоторых применений большая емкость может быть и достоинством, например в фильтре, совмещающем в себе функцию ограничения напряжения (для таких применений можно заказать изготовление варисторов с повышенной емкостью). Вторым недостатком является меньшая максимальная допустимая рассеиваемая мощность по сравнению с разрядниками (для увеличения мощности рассеивания изготовители увеличивают размеры корпуса варистора).

Литература:
Радиолюбителям: полезные схемы, Книга 5. Шелестов И.П.