Последовательное соединение варисторов

Обзор устройств защиты от импульсных перенапряжений и помех.

В большинстве случаев отказы электронного и электрического оборудования вызваны импульсными перенапряжениями и/или изменениями нагрузки в линиях электроснабжения. Основная причина высокой чувствительности современного электрооборудования к электромагнитным помехам обусловлена использованием интегрированных полупроводниковых устройств большой размерности.

Наиболее распространенным источником импульсного перенапряжения являются молнии. Это непредсказуемое природное явление высокой интенсивности может вызывать броски перенапряжения, передаваемые через воздушные линии электроснабжения, на расстоянии до нескольких километров от места удара молнии. Растекание тока молнии по поверхности земли может вызвать импульсные перенапряжения в кабельных сетях электроснабжения. Помимо импульсов, вызываемых молнией, броски в сети электроснабжения могут быть вызваны включением и выключением индуктивной нагрузки (например, двигателей) или емкостной нагрузки (конденсаторы для корректировки коэффициента мощности) и т.п.

Для защиты оборудования и пользователей, на входе питания активного оборудования необходимо предусмотреть специальные защитные устройства. Данные устройства отводят броски в линии питания от чувствительного электрооборудования на землю.

В настоящее время на рынке существует несколько типов защитных устройств. Для достижения требуемого высокого уровня защиты используются следующие технологии:

Искровые разрядники.

Искровой разрядник — безнакальный газонаполненный прибор, резко изменяющий свою электропроводность при возникновении разряда между электродами. Его применяют в качестве быстродействующего коммутатора в устройствах связи, локации, ядерной и экспериментальной физики и т. д.

Конструкция разрядника проста: в стеклянном или керамическом баллоне, наполненном газом, расположены 2 или несколько электродов из тугоплавких металлов или их сплавов. Для наполнения применяются инертные газы, их смеси, водород, азот, кислород, воздух, пары воды. По принципу действия искровые разрядники подразделяются на неуправляемые и управляемые.

В неуправляемых разрядниках пробой происходит при определённых значениях напряжения, зависящего от конструкции прибора. В управляемых — в определённой области напряжений при подаче импульсного напряжения на управляющий электрод.

Преимущества искровых разрядников:

  • отсутствие накала,
  • практически мгновенная готовность к работе,
  • высокая надёжность,
  • малые габариты и масса,
  • простота конструкции и технологии производства.

Недостатки искровых разрядников:

Для срабатывания устройства необходимо высокое значение пропускаемого напряжения (кВ), что приводит к повреждению защищаемого оборудования. Интенсивность искры, возникающей во время проводящего состояния, зачастую вызывает помехи и приводит к неисправной работе расположенного рядом электрооборудования. Остаточные токи приводят к перебоям в питании и, соответственно, непредсказуемым последствиям в работе оборудования.

Параллельное подключение варисторов.

Варистор [англ. varistor, от vari (able) — переменный и (resi) stor — резистор], полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление (проводимость) которого изменяется не линейно и одинаково под действием как положительного, так и отрицательного напряжения. Для изготовления варисторов применяют порошкообразный карбид кремния (полупроводник) и связующее вещество (глину, жидкое стекло, лаки, смолы и др.), которые запрессовывают в форму и спекают в ней при температуре около 1700° С. Затем поверхность образца металлизируют и припаивают к ней выводы. Низковольтные варисторы изготавливают на рабочее напряжение от 3 до 200 В и ток от 0,1 мА до 1 А; высоковольтные— на рабочее напряжение до 20 кВ.

  • Варисторы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления,
  • способны выдерживать значительные электрические перегрузки,
  • просты и дёшевы,
  • обладают высокой надёжностью,
  • малой инерционностью (предельная рабочая частота до 500 кГц).

При параллельном подключении используется несколько варисторов на базе оксида металла, подключенных параллельно с целью получения высоких токовых значений перегрузки.

Недостатки параллельного подключения:

Электрические характеристики подключенных параллельно варисторов не совпадают. Это приводит к тому, что устройства на базе параллельно подключенных варисторов быстро выходят из строя из-за термического износа. Такие устройства рассчитаны на использование внутренних предохранителей, отключающих защитное устройство при сильных импульсах во избежание возгорания и взрыва. Это приводит к:

  • увеличению времени срабатывания,
  • возникновению перегрузок в момент срабатывания предохранителя;
  • отсутствие защиты устройства во время импульсов большой интенсивности
  • отсутствие защиты оборудования при всех последующих импульсных перегрузках.

Комбинирование искровых разрядников и варисторов.

Чтобы улучшить пропускаемое напряжение искровых разрядников, некоторые производители используют искровые разрядники и варисторы с триггерной схемой. Хотя номинально данные устройства могут выдерживать более сильные импульсы, лабораторные тестирования и испытания в полевых условиях показали, что сложности возникают в связи с плохим взаимодействием между искровым разрядником и варисторами.

Модули подавления импульсного перенапряжения Strikesorb.

Несколько лет назад была создана принципиально новая концепция защитных устройств – модули подавления импульсного перенапряжения Strikesorb.

Модуль Strikesorb используется либо как независимое защитное устройство в интегрированных решениях или как компонент устройства Rayvoss. Модуль включает в себя сверхмощный диск (варистор), изготовленный на основе оксида металла (ВОМ), монтируемый под давлением в герметичном алюминиевом корпусе.

Уникальная конструкция Strikesorb обеспечивает низкое сопротивление внутреннего контакта, равномерно распределяет ток перегрузки по всей поверхности защитного элемента, что существенно снижает плотность тока и обеспечивает низкое значение градиента напряжения на Strikesorb. Запатентованная конструкция Strikesorb износоустойчива и исключает риск необратимого отказа, взрыва или возгорания.

Модуль предназначен для защиты от повторных перегрузок, что обеспечивает экономическую целесообразность его использования и отсутствие необходимости сопровождения и обслуживания в суровых климатических условиях.

Эти особенности Strikesorb, наряду с возможностью прямого подключения к линии питания (проходное подключение) не имеют в настоящее время аналогов и гарантируют непрерывную защиту электрического и электронного оборудования.

Дорогостоящее оборудование требует больших инвестиций, однако может очень быстро выйти из строя в случае отсутствия надлежащих устройств подавления импульсного перенапряжения, что приводит к потерям прибыли и важных функций. Инвестиции в приобретение устройств подавления импульсных перенапряжений позволяют заказчикам в дальнейшем получать прибыль за счет бесперебойной работы оборудования в ходе эксплуатации при различных неблагоприятных условиях.

Варисторы: как работают, основные характеристики и параметры, схема подключения

Варистором называется нелинейный резистор, который применяется в радиоэлектронных цепях и обеспечивает защиту включенных в сеть приборов от перенапряжения. Его отличительной чертой является нелинейная вольт-амперная характеристика. В зависимости от величины воздействующего на деталь напряжения ее сопротивление может колебаться в значительных пределах – от нескольких десятков до сотен миллионов Ом. В этой статье мы поговорим о том, для чего нужен варистор, каков его принцип действия и как производится его подключение и проверка детали на исправность.

Как работает варистор?

На схеме варистор обозначается значком резистора, перечеркнутого по диагонали, что указывает на его нелинейность.

Когда нелинейный резистор функционирует в обычном режиме, его сопротивление велико. Однако оно сильно снижается при возрастании напряжения выше номинальной величины, что приводит к значительному повышению тока. Таким образом, разность потенциалов удерживается на уровне, несколько превышающем номинал. Варистор, работающий в этом режиме, выполняет функцию стабилизации напряжения.

Нелинейный резистор, будучи подключенным на входе электроцепи, добавляет к ее емкости собственную. Для устойчивой работы защищаемых приборов это необходимо учесть при проектировании линии.

На рисунке представлена стандартная схема подключения варистора.

Для правильного подбора защитного элемента важно знать мощность импульсов, имеющих место при переходных процессах, а также величину выходного сопротивления источника.

От максимальной силы тока, которую нелинейный резистор способен пропустить через себя, зависит частота повторений выбросов напряжения, а также их длительность. Если она слишком мала для конкретной цепи, защитный элемент быстро придет в негодность из-за перегрева. Поэтому, чтобы варистор работал безотказно в течение длительного времени, он должен обеспечивать эффективное рассеивание импульсной энергии при переходном процессе. Затем деталь должна быстро возвращаться в исходное состояние.

Преимущества и недостатки варисторов

Основными преимуществами нелинейного резистора является:

возможность работы под значительными нагрузками, а также на высокой частоте;

большой спектр применения;

Недостатком элемента является низкочастотный шум, создаваемый им при работе. Кроме того, его вольт-амперная характеристика в высокой степени зависит от температуры.

Варисторы: характеристики и параметры

Нелинейные резисторы, как и любые другие радиотехнические детали, обладают рядом отличительных характеристик. Основные параметры варисторов таковы:

классификационное номинальное напряжение. Это рабочее напряжение элемента, при котором он пропускает ток величиной 1 мА;

максимальное напряжение ограничения. Так называется напряжение, которое деталь способна выдержать без вреда для себя. Если этот показатель будет превышен, защитный элемент выйдет из строя;

максимальное постоянное напряжение. Это показатель постоянного напряжения, при достижении которого происходит резкое возрастание проходящего через деталь тока, и она выполняет стабилизирующую функцию;

максимальное переменное напряжение. Так называется показатель переменного напряжения, по достижении которого включается защитный режим нелинейного резистора;

допустимое отклонение. Этим термином обозначается выраженное в процентах отклонение разности потенциалов от величины классификационного напряжения.

время срабатывания. Это время, которое требуется находящемуся в высокоомном состоянии на переход в низкоомное;

максимальная поглощаемая энергия. Так обозначается максимальная величина импульсной энергии, которая может быть преобразована в тепловую без вреда для варистора.

Разобравшись с принципом работы нелинейного резистора и его основными параметрами, перейдем к заключительному вопросу – как можно проверить его исправность?

Как проверить варистор?

Существует 2 способа проверки работоспособности этого элемента:

визуальный осмотр корпуса;

измерение сопротивления специальным прибором.

При внешнем осмотре корпусной части можно увидеть потемнения, трещины или следы подгорания, по которым можно сделать вывод о том, что деталь непригодна к эксплуатации. Если визуально недостатков не заметно, но исправность элемента вызывает сомнения, придется воспользоваться тестером (мультиметром) или омметром. Разберемся, как проверить варистор мультиметром. Главным критерием здесь является сопротивление детали – чем оно больше, тем лучше. Элемент с низким сопротивлением подлежит замене. Стоит отметить, что пробитый варистор, как правило, легко определить путем визуального осмотра, даже не пользуясь тестером. Кроме того, когда поврежденная радиодеталь находится в цепи, предохранитель постоянно выбивает.

Для проверки необходимо:

отпаять один из выводов проверяемой детали. В противном случае прозвонка, скорее всего, не даст достоверного результата, так как пойдет по другим участкам цепи;

поставить переключатель тестера в режим замера сопротивления на максимум;

прикоснуться щупами прибора к выводам проверяемой детали;

снять показания индикатора (шкалы).

Измерять сопротивление нужно два раза, меняя полярность подключения тестера.

Проверка мультиметром позволяет точно определить, когда варистор находится в обрыве – в ходе измерения прибор будет показывать бесконечное сопротивление.

В интернет-магазине DIP8.RU можно приобрести по доступной цене различные радиодетали и элементы высокого качества, в том числе и варисторы. Весь товар сертифицирован. По всем вопросам, касающимся характеристик деталей и оформления заказа, вы можете обратиться по телефону, указанному в разделе «Контакты».

Варисторы: как работают, основные характеристики и параметры, схема подключения

Варистором называется нелинейный резистор, который применяется в радиоэлектронных цепях и обеспечивает защиту включенных в сеть приборов от перенапряжения. Его отличительной чертой является нелинейная вольт-амперная характеристика. В зависимости от величины воздействующего на деталь напряжения ее сопротивление может колебаться в значительных пределах – от нескольких десятков до сотен миллионов Ом. В этой статье мы поговорим о том, для чего нужен варистор, каков его принцип действия и как производится его подключение и проверка детали на исправность.

Читайте также  Конструкция для модулей из светодиодов

Как работает варистор?

На схеме варистор обозначается значком резистора, перечеркнутого по диагонали, что указывает на его нелинейность.

Когда нелинейный резистор функционирует в обычном режиме, его сопротивление велико. Однако оно сильно снижается при возрастании напряжения выше номинальной величины, что приводит к значительному повышению тока. Таким образом, разность потенциалов удерживается на уровне, несколько превышающем номинал. Варистор, работающий в этом режиме, выполняет функцию стабилизации напряжения.

Нелинейный резистор, будучи подключенным на входе электроцепи, добавляет к ее емкости собственную. Для устойчивой работы защищаемых приборов это необходимо учесть при проектировании линии.

На рисунке представлена стандартная схема подключения варистора.

Для правильного подбора защитного элемента важно знать мощность импульсов, имеющих место при переходных процессах, а также величину выходного сопротивления источника.

От максимальной силы тока, которую нелинейный резистор способен пропустить через себя, зависит частота повторений выбросов напряжения, а также их длительность. Если она слишком мала для конкретной цепи, защитный элемент быстро придет в негодность из-за перегрева. Поэтому, чтобы варистор работал безотказно в течение длительного времени, он должен обеспечивать эффективное рассеивание импульсной энергии при переходном процессе. Затем деталь должна быстро возвращаться в исходное состояние.

Преимущества и недостатки варисторов

Основными преимуществами нелинейного резистора является:

возможность работы под значительными нагрузками, а также на высокой частоте;

большой спектр применения;

Недостатком элемента является низкочастотный шум, создаваемый им при работе. Кроме того, его вольт-амперная характеристика в высокой степени зависит от температуры.

Варисторы: характеристики и параметры

Нелинейные резисторы, как и любые другие радиотехнические детали, обладают рядом отличительных характеристик. Основные параметры варисторов таковы:

классификационное номинальное напряжение. Это рабочее напряжение элемента, при котором он пропускает ток величиной 1 мА;

максимальное напряжение ограничения. Так называется напряжение, которое деталь способна выдержать без вреда для себя. Если этот показатель будет превышен, защитный элемент выйдет из строя;

максимальное постоянное напряжение. Это показатель постоянного напряжения, при достижении которого происходит резкое возрастание проходящего через деталь тока, и она выполняет стабилизирующую функцию;

максимальное переменное напряжение. Так называется показатель переменного напряжения, по достижении которого включается защитный режим нелинейного резистора;

допустимое отклонение. Этим термином обозначается выраженное в процентах отклонение разности потенциалов от величины классификационного напряжения.

время срабатывания. Это время, которое требуется находящемуся в высокоомном состоянии на переход в низкоомное;

максимальная поглощаемая энергия. Так обозначается максимальная величина импульсной энергии, которая может быть преобразована в тепловую без вреда для варистора.

Разобравшись с принципом работы нелинейного резистора и его основными параметрами, перейдем к заключительному вопросу – как можно проверить его исправность?

Как проверить варистор?

Существует 2 способа проверки работоспособности этого элемента:

визуальный осмотр корпуса;

измерение сопротивления специальным прибором.

При внешнем осмотре корпусной части можно увидеть потемнения, трещины или следы подгорания, по которым можно сделать вывод о том, что деталь непригодна к эксплуатации. Если визуально недостатков не заметно, но исправность элемента вызывает сомнения, придется воспользоваться тестером (мультиметром) или омметром. Разберемся, как проверить варистор мультиметром. Главным критерием здесь является сопротивление детали – чем оно больше, тем лучше. Элемент с низким сопротивлением подлежит замене. Стоит отметить, что пробитый варистор, как правило, легко определить путем визуального осмотра, даже не пользуясь тестером. Кроме того, когда поврежденная радиодеталь находится в цепи, предохранитель постоянно выбивает.

Для проверки необходимо:

отпаять один из выводов проверяемой детали. В противном случае прозвонка, скорее всего, не даст достоверного результата, так как пойдет по другим участкам цепи;

поставить переключатель тестера в режим замера сопротивления на максимум;

прикоснуться щупами прибора к выводам проверяемой детали;

снять показания индикатора (шкалы).

Измерять сопротивление нужно два раза, меняя полярность подключения тестера.

Проверка мультиметром позволяет точно определить, когда варистор находится в обрыве – в ходе измерения прибор будет показывать бесконечное сопротивление.

В интернет-магазине DIP8.RU можно приобрести по доступной цене различные радиодетали и элементы высокого качества, в том числе и варисторы. Весь товар сертифицирован. По всем вопросам, касающимся характеристик деталей и оформления заказа, вы можете обратиться по телефону, указанному в разделе «Контакты».

Варистор

Варистор (англ. Vari (able) (resi) stor — переменный резистор) — полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление (проводимость) которого нелинейно зависит от приложенного напряжения, то есть он обладает нелинейной симметричной вольтамперной характеристикой и имеет два вывода.

Варистор представляет собой электротехническое изделие, изготовленное из многофазных полупроводниковых материалов.

Основной материал для изготовления варисторов — полупроводниковый карбид кремния SiC. Кристаллы SiC размалывают до размера 40-300 мкм, и этот порошок используют как основу варистора. Порошкообразный карбид кремния и связующее вещество запрессовывают в форму и спекают. Если в качестве связующего вещества используют глину, то полученный материал называют Тирит. Для изготовления Тирита смесь 74% мелкоизмельченного карбида кремния и глины прессуется и обжигается при температуре 1270 ° С

Если используют жидкое стекло (75% SiO2 + 24% Na2O + вода), то полученный материал, состоящий из 84% SiC и 16% связующего, называют Вилит. Смесь для изготовления Вилита прессуется и обжигается при температуре 380 °С

Поверхность прессованного образца металлизируют и к ней припаивают выводы. Изменение электропроводности варистора с нарастанием напряжения на его выводах связано со сложными явлениями на контактах или на поверхности кристаллов. Например, уменьшение сопротивления с ростом напряжения в варисторах, изготовленных на основе карбида кремния, связано с падением сопротивления контактов между зернами SiC. Это происходит вследствие нелинейного роста тока через p-n переходы, которые образуются на этих контактах, в результате автоэлектронной эмиссии на острых участках зерен и т. д.

Конструктивно варисторы выполняются обычно в виде дисков, таблеток, стержней; существуют бусинковые и пленочные варисторы. Широкое распространение получили стержневые подстроечные варисторы с подвижным контактом.

Свойства:

Нелинейность характеристик варисторов обусловлена ​​локальным нагревом соприкасающихся граней многочисленных кристаллов карбида кремния (или другого полупроводника). При локальном повышении температуры на границах кристаллов сопротивление последних существенно снижается, что приводит к уменьшению общего сопротивления варисторов.

Варисторы на основе карбида кремния имеют невысокий коэффициент нелинейности, порядка 5-7, поэтому в настоящее время для изготовления варисторов применяется оксид цинка с добавками оксидов висмута, кобальта, марганца, сурьмы и хрома. Технология его приготовления сложна, она включает раздельный размол компонентов, смешивания со связкой, прессование, спекание с выжиганием связи, размола, вторичное спекания, вжигание электродов. В результате получается высококачественная керамика с высокой нелинейностью, величина которой составляет 50-70. Нелинейность варисторов на основе оксидных полупроводников связана не со свойствами кристаллитов, а со свойствами межкристаллитных слоев и потенциальных барьеров на поверхности кристаллитов.

Параметры:

  • Классификационная напряжение, В — напряжение при определенном токе (обычно производители указывают при 1 мА), практической ценности не представляет
  • Рабочее напряжение (Operating voltage), В, диапазон — от нескольких В до нескольких десятков кВ, данное напряжение должно быть превышено только при перенапряжении.
  • Рабочий ток (Operating Current), a — диапазон — от 0,1 мА до 1 А
  • Максимальный импульсный ток (Peak Surge Current), а
  • Поглощаемая энергия (Absorption energy), Дж
  • Коэффициент нелинейности
  • Температурные коэффициенты (статический. Сопротивления, напряжения, тока) — для всех типов варисторов не превышает — 0,1% на градус

В настоящее время для защиты радиоэлектронной аппаратуры от внешних импульсных воздействий применяются различные виды экранирование, 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 за малого объема p-n перехода. Это обусловливает резкое уменьшение допустимого тока в импульсе, протекающего через прибор.

В последнее время наиболее эффективным средством защиты аппаратуры от любых импульсных напряжений признаны оксидно-цинковые варисторы. Отличительной особенностью варистора является двусторонняя симметричная и резко выраженная нелинейная ВАХ .

ВАХ оксидно-цинкового варистора

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 велик. Разогрев точечных контактов приводит к уменьшению их сопротивления и, как следствие, к нелинейности ВАХ. Малые объемы активных областей обеспечивают малую инерционность тепловых процессов, определяет их высокое быстродействие. Наряду с этим варисторы способны хорошо поглощать высокоэнергетические импульсы напряжения, поскольку тепловая энергия рассеивается не в отдельных зернах полупроводника, а на всем его объеме.

В области малых токов ВАХ описывается выражением:

где I — ток, U — напряжение, A коэффициент, значение которого зависит от типа варистора и от температуры; β — коэффициент нелинейности, характеризующий крутизну ВАХ и определяется отношением статического сопротивления варистора к дифференциальному в определенной точке:

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. Для расчета варисторов, защищающие те или иные цепи от грозового разряда, иногда приводят сведения о напряжении на варисторе при воздействии стандартного грозового импульса. 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 поглощенная энергия. Сложнее обеспечить параллельную работу варисторов — необходимо строгое совпадение их ВАХ. Эта задача вполне разрешима при последовательно-параллельной схеме включения — есть 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.

Надежность работы радиоэлектронной аппаратуры во многом определяется качеством питают электрических сетей, в которых могут иметь место перенапряжения длительностью от сотен миллисекунд до нескольких секунд, провалы напряжения длительностью до десятков миллисекунд, исчезновение (отсутствие напряжения более одного периода) и так далее. Особенно опасны высоковольтные импульсы амплитудой до нескольких киловольт и продолжительностью 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.

Читайте также  Светодиоды для уличных светильников

Импульсы напряжения, которые можно отнести к внешним сетевых помех, возникающих в различных цепях аппаратуры, в первую очередь, в проводах питания.

Во-первых, они могут приводиться электромагнитными импульсами искусственного происхождения от передающих радиостанций, высоковольтных линий электропередач, сетей электрифицированных железных дорог, электросварочных аппаратов.

Идентифицировать и систематизировать причины таких препятствий 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;
  • продолжительность — 0,1 … 100 мкс.

Во-вторых, они могут быть природного происхождения и приводиться мощными грозовыми разрядами.

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.

Нелинейные резисторы — варисторы — широко применяются в производстве вентильных разрядников, предназначенных для защиты электрооборудования от грозовых и коммутационных перенапряжений. Вентильные разрядники подразделяют на низковольтные и высоковольтные. Варисторы используется также в умножителя частоты, модуляторы, устройствах поглощения перенапряжений и др.

Применение:

Низковольтные варисторы изготавливают на рабочее напряжение от 3 до 200 В и ток от 0,1 мА до 1 А; высоковольтные варисторы — на рабочее напряжение до 20 кВ.

Варисторы применяются для стабилизации и регулирования низкочастотных токов и напряжений, в аналоговых вычислителях — для возведения в степень, извлечения корней и других математических действий, в цепях защиты от перенапряжений (например, высоковольтные линии электропередачи, линии связи, электрические приборы) и др.

Высоковольтные варисторы применяются для изготовления ограничителей перенапряжения.

Как электронные компоненты, варисторы дешевле и надежнее, способны выдерживать значительные электрические перегрузки, могут работать на высокой частоте (до 500 кГц).

Среди недостатков — значительный низкочастотный шум и старение — изменение параметров со временем и при колебаниях температуры.

В последние годы появились на рынке так называемые «нестареющие» варисторы, имеющие по ряду параметров улучшения электрических свойств во времени под напряжением промышленной частоты.

Что такое варистор, основные технические параметры, для чего используется

Каждый электронный прибор, который включен в сеть нуждается в защите от превышения пороговых значений тока или напряжения. Для защиты по току применяют различные плавкие предохранители и автоматические выключатели, а вот для предохранения устройства от перенапряжения чаще всего применяют варисторы. В данной статье мы рассмотрим принцип работы варистора, его характеристики, достоинства и недостатки этого электронного компонента.

Что такое варистор и где применяется

Варистор – это выполненный из полупроводникового материала переменный резистор, который способен изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от приложенного к нему напряжения.

Принцип действия у такого электронного компонента отличается от обычного резистора и потенциометра. Стандартный резистор имеет постоянное во величине сопротивление в любой промежуток времени вне зависимости от напряжения в цепи, потенциометр позволяет менять сопротивление вручную, поворачивая ручку управления. А вот варистор обладает нелинейной симметричной вольтамперной характеристикой и его сопротивление полностью зависит от напряжения в цепи.

Благодаря этому свойству, варисторы широко и эффективно применяют для защиты электрических сетей, машин и оборудования, а также радиоэлектронных компонентов, плат и микросхем вне зависимости от вида напряжения. Они имеют невысокую цену изготовления, надежны в использовании и способны выдерживать высокие нагрузки.

Варисторы применяются, как в высоковольтных установках до 20 кВ, так и в низковольтных от 3 до 200 В в качестве ограничителя напряжения. При этом они могут работать, как в сетях с переменным, так и с постоянным током. Их используют для регулировки и стабилизации тока и напряжения, а также в защитных устройствах от перенапряжения. Используются в конструкции сетевых фильтров, блоков питания, мобильных телефонов, УЗИП и других ОИН.

Виды и принцип работы

При работе в нормальных условиях варистор имеет огромное сопротивление, которое может снижаться при превышении напряжением порогового значения. То есть, если значительно повышается напряжение в цепи, то варистор переходит из изолирующего состояния в электропроводящее и за счет лавинного эффекта в полупроводнике стабилизирует напряжение с помощью пропускания через себя тока большой величины.

Варисторы могут работать с высоким и низким напряжением и, соответственно, подразделяются на две группы устройств, которые имеют одинаковый принцип работы:

  1. Высоковольтные: способные работать в цепях со значениями тока до 20 кВ (используются в защитных системах сетей и оборудования, в устройства защиты от импульсных перенапряжений).
  2. Низковольтные: номинальное напряжения для компонентов данного вида варьируется от 3 до 200 В (применяется для защиты электронных устройств и компонентов оборудования с током 0,1 – 1А и устанавливаются на входе или выходе источника питания).

Время срабатывания варистора при скачке напряжения составляет около 25 нс, что является отличным значением, но в некоторых случая недостаточным. Поэтому производители электронных компонентов разработали технологию изготовления smd-резистора, который имеет время срабатывания от 0,5 нс.

Варисторы всех типов изготавливают из карбида кремния или оксида цинка путем спекания данного материала со связующим веществом (смолы, глина, стекло) при высокой температуре. После получения полупроводникового элемента выполняется его металлизация с обеих сторон с припайкой металлических выводов для подключения.

Маркировка, основные характеристики и параметры

Каждый производитель варисторов маркирует свой продукт определенным образом, поэтому существует достаточно большое количество вариантов обозначений и их расшифровок. Наиболее распространенным российским варистором является К275, а популярными компонентами иностранного производства являются 7n471k, kl472m и другие.

Расшифровать обозначение варистора CNR-10d751k можно следующим образом: CNR – металлооксидный варистор; d – означает, что компонент в форме диска; 10 – это диаметр диска; 751 –напряжение срабатывания для данного устройства (расчёт происходит путём умножения первых двух цифр на 10 в степени равной третьей цифре, то есть 75 умножаем на 10 в первой степени получатся 750 В); k – допустимое отклонение номинального напряжения, которое равно 10 % в любую сторону (l – 15%, M – 20%, P – 25 %).

Основными характеристиками варисторов являются следующие параметры:

Классификационное напряжение – напряжение при определенных значениях тока, протекающего через варистор (обычно данное значение составляет 1 мА). Этот параметр является условным и не влияет на выбор устройства;

Максимально допустимое напряжение – диапазон напряжения (среднеквадратичное или действующее значение), при котором варистор начинает понижать свое сопротивление;

Максимальная энергия поглощения – характеристика, показывающая значение энергии, которую варистор рассеивает и не выходит из строя при воздействии одиночного импульса (измеряется в Джоулях);

Максимальный импульсный ток – нормирует время нарастания и длительность действия импульса тока (измеряется в Амперах);

Ёмкость – очень важный параметр, который измеряется при закрытом состоянии и заданной частоте (падает до нуля, если к варистору приложен большой ток);

Допустимое отклонение – отклонение от номинальной разности потенциалов в обе стороны (указывается в процентах).

Время срабатывания – промежуток времени, за который варистор переходит из закрытого состояния в открытое (обычно несколько десятков наносекунд).

Преимущества и недостатки варисторов

Важными преимуществами нелинейного резистора (варистора) является его стабильная и надежная работа с высокими частотами и большими нагрузками. Он применяется во многих устройствах, работающих с напряжениями от 3 В до 20 кВ, относительно прост и дешёв в производстве и эффективен в эксплуатации. Дополнительными важными преимуществами являются:

  • высокая скорость срабатывания (наносекунды);
  • длительный срок службы;
  • возможность отслеживания перепадов напряжения (безынерционный метод).

Несмотря на то, что данный электронный компонент имеет достаточно много преимуществ, он имеет и недостатки, которые влияют на его применение в различных системах. К ним можно отнести:

  • низкочастотный шум при работе;
  • старение компонента (утрата параметров со временем);
  • большая емкость: зависит от напряжения и типа элемента, находится в диапазоне от 70 до 3200 пФ и влияет на работоспособность устройства;
  • при максимальных значениях напряжения мощность не рассеивается – значительно перегревается и выходит из строя при длительных максимальных значениях напряжения.

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.

Обозначение на схеме и варианты подключения варистора

На схемах варистор обычно обозначается, как обычный резистор, но с добавлением буквы U рядом с наклонной чертой. Эта черта и указывает в схемах на то, что данный элемент имеет зависимость сопротивления от напряжения в цепи. Также на электрической схеме этот элемент маркируется двумя буквами R и U с добавлением порядкового номера (RU1, RU2 … и т.д.).

Существует большое количество вариантов подключения варисторов, но общее для всех способов – это то, что данный компонент подключается параллельно цепи питания. Поэтому при отсутствии опасных значений импульсов напряжения, ток, который протекает через варистор имеет малую величину (ввиду больших значений сопротивления) и никак не влияет на работоспособность системы. При возникновении перенапряжения, варистор изменяет сопротивление до малых величин, нагрузка шунтируется, и поглощенная энергия рассеивается в окружающее пространство.

Что такое сетевой фильтр, для чего он нужен и где применяется

Что такое резистор и для чего он нужен?

Что такое частотный преобразователь, основные виды и какой принцип работы

УЗИП — что это такое, описание и схемы подключения в частном доме

Принцип работы и основные характеристики стабилитрона

Схема работы устройства плавного пуска, его назначение и конструкция

Читайте также  Параллельное соединение розеток в квартире

Как проверить варистор мультиметром — пошаговая инструкция

От перепадов напряжения не застрахована ни одна электросеть, есть множество причин вызывающих это явление, начиная от перегрузки и заканчивая перекосом фаз. Такие броски способны вывести из строя бытовую технику, поэтому практически все современные электронные устройства имеют защиту. Если после очередного перепада в БП какого-нибудь прибора сгорел предохранитель, произведя его замену, не спешите включать технику. На всякий случай проверьте варистор на исправность тестером или мультиметром.

Прежде, чем перейти к тестированию, рекомендуем ознакомиться с кратким описанием варистора, особенностями его работы и характеристиками. Эта информация может быть полезной при поиске аналога, взамен вышедшего из строя элемента.

Внешний вид варисторов

Характеристики

Варистор представляет собой полупроводниковый резистор с нелинейной вольт-амперной характеристикой, ее график показан на рисунке 2.

Рис. 2. Типичные вольт-амперные характеристики: А – варистора, В – обычного резистора

Как видно из графика, когда напряжение на полупроводнике достигает порогового значения, резко увеличивается сила тока, что вызвано понижением сопротивления. Эта характеристика позволяет использовать варистор в качестве защиты от кратковременных скачков напряжения.

Принцип действия, обозначение на схеме, варианты применения

Внешне варистор очень похож на конденсатор, но его внутреннее устройство, как видно из рисунка 3, совершенное иное.

Рисунок 3. Конструкция варистора (1) и его обозначение на схемах (2)

Обозначения:

  • А – два металлических электрода в форме диска;
  • В – вкрапления оксида цинка (размер кристаллов не соблюден);
  • С – оболочка полупроводника, сделанная на основе синтетических отвердителей (эпоксидов);
  • D – керамический изолятор;
  • Е – выводы.

Помимо конструкции, на рисунке 3 показано обозначение элемента на принципиальных схемах (2).

Содержание оксида цинка в керамическом изоляционном слое определяет порог срабатывания варистора, как только напряжение станет выше допустимого, сопротивление резко снижается и проходящий через полупроводник ток увеличивается. Вырабатывающаяся в результате этого процесса тепловая энергия рассеивается в воздухе.

Такой принцип действия позволяет не допустить выход из строя электронных устройств при краткосрочном перепаде напряжения. Длительный импульс вызовет перегрев и разрушение варистора, но на этот процесс требуется время. Хоть оно исчисляется долями секунды, в большинстве случаев, этого достаточно для срабатывания плавкого предохранителя.

Именно поэтому после замены предохранителя необходимо проверять варистор (внешний осмотр и тестирование мультиметром). В противном случае, следующий перепад напряжения, с большой долей вероятности, приведет к разрушению компонентов электронного устройства.

Пример реализации защиты

На рисунке 4 показан фрагмент принципиальной схемы БП компьютера, на котором наглядно показано типовое подключение варистора (выделено красным).

Рисунок 4. Варистор в блоке питания АТХ

Судя по рисунку, в схеме используется элемент TVR 10471К, используем его в качестве примера расшифровки маркировки:

  • первые три буквы обозначают тип, в нашем случае это серия TVR;
  • последующие две цифры указывают диаметр корпуса в миллиметрах, соответственно, у нашей детали диаметр 10 мм;
  • далее идут три цифры, которые указывают действующее напряжение для данного элемента. Расшифровывается следующим образом: XXY = XX*10 y , в нашем случае это 47*10 1 , то есть 470 вольт;
  • последняя буква указывает класс точности, «К» соответствует 10%.

Можно встретить и более простую маркировку, например, К275, в этом случае К – это класс точности (10%), последующие три цифры обозначают величину действующего напряжения, то есть, 275 вольт.

Теперь, когда мы разобрались с основами, можно перейти к проверке варистора

Определяем работоспособность элемента (пошаговая инструкция)

Для данной операции нам потребуются следующие инструменты:

  • Отвертка (как правило, крестовая). Чтобы добраться до платы блока питания, потребуется разобрать корпус электронного устройства, тут без отвертки не обойтись.
  • Щетка, для очистки печатной платы. Как показывает практика, в БП накапливается много пыли. Особенно это характерно для устройств с принудительным охлаждением, типичный пример, – блок питания компьютера.
  • Паяльник. В силовой части БП на плате большие дорожки и нет мелких элементов, поэтому допустимо использовать устройства мощностью до 75 Вт.
  • Канифоль и припой.
  • Мультиметр или другой прибор, позволяющий измерить сопротивление.

Когда все инструменты готовы, можно приступать к процедуре. Действуем по следующему алгоритму:

  1. Разбираем корпус устройства. В данном случае дать детальную инструкцию как это сделать затруднительно, поскольку конструкции приборов существенно отличаются друг от друга. Эту информацию можно найти в инструкции к оборудованию или на сайте производителя, также поможет поиск на тематических форумах и блогах.
  2. Добравшись до печатной платы БП, следует очистить ее от пыли. Делать это нужно аккуратно, чтобы не повредить радиодетали. Бывали случаи, когда от чрезмерного усилия, в процессе чистки, щетка повреждала транзистор, тиристор или другой компанент.
  3. Когда пыль удалена, находим варистор, он имеет характерный вид, поэтому спутать его можно разве что с конденсатором, но последний отличается маркировкой. Варистор в силовой части БП
  4. Найдя элемент, тщательно осматриваем его на предмет повреждений. Это могут быть трещины, сколы и другие нарушения целостности корпуса. В большинстве случаев, определить неисправность можно на этом этапе. При обнаружении повреждений элемент выпаиваем и меняем на такой же или аналог. Подобрать его можно самостоятельно (расшифровка маркировки приводилась выше) или посоветовавшись с продавцом радиодеталей. Варистор со следами повреждений
  5. Если визуальный осмотр не дал результатов, следует проверить варистор мультиметром, для этого выпаиваем деталь.
  6. Для проведения измерения подключаем щупы к мультиметру (на рисунке 7 гнезда показаны зеленым цветом) и переводим его в режим измерения максимального сопротивления (красный круг на рис. 7). Если у вас мультиметр другого типа, воспользуйтесь инструкцией к прибору. Рисунок 7. Установка режима отмечена красным, гнезда для щупов – зеленым
  7. Касаемся щупами выводов и измеряем сопротивление варистора. Оно должно быть бесконечно большим. Иное значение указывает на неисправность варистора, следовательно, его необходимо заменить.

Важный момент! Прежде, чем измерить сопротивление, убедитесь, что пальцы не касаются стальных наконечников щупов, в этом случае прибор покажет сопротивление кожного покрова.

  1. Произведя замену (если в этом есть необходимость), собираем устройство.

Замена и проверка варистора + видео

Если при ремонте кондиционера вы обнаружили на плате сгоревший предохранитель не спешите его тут же менять, вначале выясните причину по которой он сгорел.

Скорее всего это произошло из-за скачков напряжения в сети.

При измерении в сети напряжение питания оно постоянно колеблется,причём не всегда в пределах безопасных для кондиционеров.

Плюс к этому в сети всегда присутствуют короткие импульсы напряжением в несколько киловольт. Происходит это из-за постоянного отключения и включения индуктивной и ёмкостной нагрузки (электродвигатели,трансформаторы и т. д.), а также из-за атмосферного электричества.

Кондиционеры, как и любую другую электронную технику защищают на этот случай варисторами. Точнее электронную начинку кондиционера-плату управления.

Стандартная схема подключения варистора

параллельно защищаемой нагрузке подключают варистор VA1, а перед ним ставят предохранитель F1:

Принцип действия варистора

По сути варистор представляет собой нелинейный полупроводниковый резистор, проводимость которого зависит от приложенного к нему напряжения. При нормальном напряжении варистор пропускает через себя пренебрежительно малый ток, а при определённом пороговом напряжении он открывается и пропускает через себя весь ток. Таким образом он фильтрует короткие импульсы, если же импульс будет более длинным, и ток идущий через варистор превысит номинальный ток срабатывания предохранителя, то он попросту сгорит, обесточив и защитив нагрузку.

Маркировка варисторов

Существует огромное количество варисторов разных производителей, с разным пороговым напряжение срабатывания и рассчитанные на разный ток. Узнать какой стоял варистор можно по его маркировке. Например маркировка варисторов CNR:

CNR-07D390K , где:

  • CNR- серия, полное название CeNtRa металлоксидные варисторы
  • 07- диаметр 7мм
  • D — дисковый
  • 390 — напряжение срабатывания, рассчитываются умножением первых двух цифр на 10 в степени равной третьей цифре, то есть 39 умножаем на 10 в нулевой степени получатся 39 В, 271-270 В и т. д.
  • K — допуск 10 %, то есть разброс напряжения может колебаться от номинального на 10 % в любую сторону.

Как же найти на плате варистор?

По схеме приведённой выше, видно что этот элемент находится рядом с предохранителем в месте прихода на плату проводов питания. Обычно это диск жёлтого или тёмно-зелёного цвета.

На фото варистор указан красной стрелкой. Можно было подумать что варистор это синяя деталь, покрытая чёрной копотью, но на увеличении видно трещины на корпусе варистора, от которого покрылись нагаром расположенные рядом детали.Хорошо это видно и с обратной стороны, где написаны условные обозначения. Даже если их не будет, распознать варистор можно, зная что он подсоединён параллельно нагрузке или по маркировке на его корпусе.

VA1- это варистор, а синяя деталь рядом это конденсатор-С70.

Не путайте их, по форме они одинаковые, так что ориентируйтесь на маркировку и условные обозначения на плате.

После того как вы нашли варистор, его нужно выпаять, чтобы потом на его место установить новый.Для выпаивания варисторов я обычно использую газовый паяльник, потому что не всегда в месте ремонта есть электропитание — на строящемся объекте, на крыше, например.Ещё очень удобно пользоваться оловоотсосом -разогреть место пайки и оловоотсосом удалить расплавившийся припой.

Но для этих целей вполне подойдёт пинцет или обычные плоскогубцы-нужно захватить ножку детали и вытянуть когда припой расплавится.Если у вас плохо плавится припой, то скорее всего он на плате высокотемпературный-так называемый бессвинцовый (может заметили на моей плате надпись PbF — плюмбум фри). В этом случае нужно или увеличить температуру жала паяльника или же капнуть сверху другого более низкотемпературного, место пайки расплавится и можно будет удалить деталь. После этого вставляем новый варистор и припаиваем его.

Для пайки очень удобно пользоваться припоем в виде проволоки у которого внутри уже есть флюс.

Ещё обратите внимание, что большинство плат — двусторонние, поэтому припаивать ножки детали нужно с обеих сторон платы, так как нередко бывает что ножка детали выполняет роль перемычки между дорожками с разных сторон платы.

После замены варистора остаётся только поставить новый предохранитель и установить плату на место.

Обычно в платах кондиционера стоят варисторы на напряжение 470 В, и предохранители номиналом от 0.5 А до 5 А. Поэтому рекомендую всегда иметь при себе небольшой запас этих деталей.

Для тех, кто хочет нагляднее увидеть процесс , выкладываю видео урок:

Для тех кому требуется отремонтировать плату, путём замены варистора, помогут наши сервисные специалисты, цены смотрите здесь.