Вольт амперная характеристика варистора. Работа варистора. Принцип эксплуатации и маркировка. Оптимальный рабочий режим

26.07.2020

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:

Простота изготовления.
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:

Классификационное напряжение. Так называют величину, при которой ток в 1 мА протекает через устройство.
Максимальное допустимое переменное напряжение. Под этим понимается величина, при которой варистор срабатывает и начинает выполнять возложенные на него защитные функции.
Максимальное допустимое постоянное напряжение. То же, что и с предыдущим вариантом. Но в данном случае этот параметр касается работы с постоянным током.
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.
Максимальная поглощаемая энергия. Указывается в джоулях. Является величиной максимальной энергии импульса, которая может быть рассеяна варистором в виде тепла без угрозы разрушить само устройство.
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.
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.

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

Наименование	Производитель	Серия	D, мм	VRMS, В	Imax (8/20 мкс), А	Wmax (2 мс), Дж
	Littelfuse	C-III	20	275	10000	320
	Littelfuse	C-III	20	250	10000	300
,	Epcos	AdvanceD	20	275	10000	215
,	Epcos	AdvanceD	20	250	10000	195
	Littelfuse	UltraMOV®	20	275	6500	190
	Littelfuse	UltraMOV®	20	250	6500	170
,	Epcos	StandarD	20	275	8000	151
	Littelfuse	C-III	14	275	6500	145
	Fenghua	General	20	275	6500	140
,	Epcos	StandarD	20	250	8000	140
	Littelfuse	C-III	14	250	6500	135
	Fenghua	General	20	250	6500	130
,	Epcos	AdvanceD	14	275	6000	110
	Littelfuse	UltraMOV®	14	275	4500	110
,	Epcos	AdvanceD	14	250	6000	100
	Littelfuse	UltraMOV®	14	250	4500	100
	Fenghua	General	14	275	4500	75
,	Epcos	StandarD	14	275	4500	71
	Fenghua	General	14	250	4500	70
	Littelfuse	C-III	10	275	3500	70
,	Epcos	StandarD	14	250	4500	65
	Littelfuse	C-III	10	250	3500	60
,	Epcos	AdvanceD	10	275	3500	55
	Littelfuse	UltraMOV®	10	275	2500	55
,	Epcos	AdvanceD	10	250	3500	50
	Littelfuse	UltraMOV®	10	250	2500	50
	Fenghua	General	10	275	2500	45
,	Epcos	StandarD	10	275	2500	43
	Fenghua	General	10	250	2500	40
,	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	–
Электросети, сетевые фильтры		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.

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, т. е. он может работать и на переменном напряжении. Варистор должен защищать подключённую к сети электроаппаратуру аппаратуру от перенапряжений – это его основная задача. В сети могут появляться не только кратковременные высоковольтные импульсы напряжения, но и долговременное повышение напряжения до 380В. При длительных перенапряжениях, примеру при перекосе фаз при использовании на другой фазе сварочного аппарата, варистор должен выдержать перенапряжение и не разрушиться до момента срабатывания защитного аппарата или предохранителя, стоящего перед ним. С увеличением напряжения растет ток через варистор, резко увеличиваясь до номинального значения варистора. Электрофизическая керамика широко используется в электротехнике высоких напряжений. Пример тому – варисторы - основа устройств защиты электросетей от коммутационных и грозовых перенапряжений. Оксидно-цинковые варисторы (ОЦВ) – наиболее популярный вид. Они изготавливается из поликристаллической многокомпонентной системы, в состав которой, наряду с оксидом цинка (Zn0), входят оксиды висмута (Bi2O3), сурьмы (Sb2O3), кобальта (Co3O4), марганца (MnO2), хрома (Cr2O3) и ряда других элементов.

Вот такие бывают варисторы:

варистор 220KD07 (14V)

варистор 270KD07 (17V)

варистор 330KD07 (20V)

варистор 390KD07 (25V)

варистор 560KD07 (35V)

варистор 680KD07 (40V)

варистор 101KD07 (60V)

варистор 121KD07 (75V)

варистор 121KD10 (75V)

варистор 151KD07 (95V)

варистор 151KD10 (95V)

варистор 181KD07 (115V)

варистор 181KD10 (115V)

варистор 221KD10 (140V)

варистор 241KD07 (150V)

варистор 241KD10 (150V)

варистор 241KD14 (150V)

варистор 271KD07 (175V)

варистор 271KD10 (175V)

варистор 301KD14 (200V)

варистор 331KD10 (210V)

варистор 331KD14 (210V)

варистор 361KD10 (230V)

варистор 361KD14 (230V)

варистор 361KD20 (230V)

варистор 391KD07 (250V)

варистор 391KD10 (250V)

варистор 391KD14 (250V)

варистор 391KD20 (250V)

варистор 431KD07 (275V)

варистор 431KD10 (275V)

варистор 431KD14 (275V)

варистор 431KD20 (275V)

варистор 471KD07 (300V)

варистор 471KD10 (300V)

варистор 471KD14 (300V)

варистор 471KD20 (300V)

варистор 561KD14 (350V)

варистор 561KD20 (350V)

варистор 561KD32 (350V)

варистор 621KD10 (385V)

варистор 621KD14 (385V)

варистор 621KD20 (385V)

варистор 681KD14 (420V)

варистор 681KD20 (420V)

варистор 821KD20 (510V)

варистор 102KD20 (625V)

Варисторы устанавливаются параллельно защищаемому электрооборудованию. В случае трехфазной нагрузки при соединении "звездой" они включаются в каждую фазу между фазой и землей, а при соединении нагрузки "треугольником" - между фазами. Наиболее предпочтительное место установки варисторов - сразу после коммутационного аппарата со стороны защищаемой нагрузки. Заводом "ПРОГРЕСС" выпускается очень удобный трехфазный ограничитель импульсных напряжений "Импульс-1", который представляет собой устройство для закрепления варисторов на электрощите, содержащее помещенные в корпус приспособления - держатели для трех варисторов, снабженные выводами. Это устройство позволяет легко реализовывать схемы защиты трехфазной нагрузки, соединенной как "звездой", так и "треугольником", а также защищать до трех независимых электроустановок, питающихся от однофазной сети.

Выбор типа используемого варистора и определение его классификационного напряжения осуществляется на основе анализа работы варистора в двух режимах: в рабочем и в импульсном.

1. Анализ работы варистора в рабочем режиме состоит в определении по таблице 1 такого классификационного напряжения, для которого длительное максимальное напряжение на нагрузке наиболее близко к табличному значению, но не превосходит его. Данные таблицы справедливы для варисторов с предельными отклонениями классификационного напряжения не более 10 % . для варисторов зарубежного производства в большинстве случаев указывается в составе маркировки.

2. Анализ работы варистора в импульсном режиме состоит в расчете максимальной мгновенной энергии по формуле:

E=P*tg(phi)/2п*f*n

где E - максимальная мгновенная энергия в джоулях, P - номинальная мощность нагрузки, приходящаяся на одну фазу (Вт), f - частота переменного напряжения (Гц), n - КПД защищаемой нагрузки. Такие расчеты обычно выполняются для нагрузок в несколько киловатт и более.

По таблице 2 выбирают тип варистора, обеспечивающего рассеивание энергии, значение которой рассчитано по приведенной формуле.

Таблица 1 В вольтах

максимально допустимое длительное действующее переменное напряжение	классифи- кационное напряжение	максимально допустимое длительное действующее переменное напряжение	максимально допустимое длительное постоянное напряжение

Таблица 2

Классифика-	Максимальная энергия рассеивания варисторов, Дж
ционное нап- ряжение,В

Только имейте в виду некоторые производители пишут на варисторах классификационное напряжение варистора , а некоторые значение на переменный ток.

На варисторах российского производства пишется классификационное напряжение.

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.

Номинальное напряжение определяет максимально возможное напряжение, которое может быть применено к варистору. Превысить номинальное напряжение может только непродолжительный импульс перенапряжения, а именно ток перегрузки (импульсный) Imax и энергия импульса Wmax. При работе варистора к нему применяются амплитуда и количество импульсов, что и является характеристикой импульсов стандартной формы.

Wmax - энергия, которая рассеивается варистором, когда через него протекает импульса тока 10/1000. Характеристика Pmax должна иметься в виду, когда варистор не справляется с рассеиванием тепла в паузах между приложенными импульсами тока и перегревается. В целом Pmax зависит от размера и конструкции выводов варистора.

Обозначение варисторов:

Цифра до букв это диаметр варистора в мм. Цифры после букв это напряжение 431 = 430в, 471 = 470в. Бывает часто пишут маркировку без букв. Типа 7271, 10751.

Примеры: защита от скачков напряжений в ИБП ХВОХ-360 из Англии где 240в, стояло 2 параллельно варистора на 431 (430в).

Варистор в ИБП на 120в от игровой приставки WII из США стоял 7Z271 на 270в.

Варистор в ИБП на 220в от DVD плеера для России стоял 10Z471 на 470в.

Варистор в ИБП на 220в от CRT-телевизора Samsung 21" стоял TVR10751 (750в).

Типовое значение времени срабатывания варисторов при воздействии перенапряжения составляет не более 25 нс, но для защиты некоторых видов оборудования его может оказаться недостаточно (для электростатической защиты необходимо не более 1 нс). 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.

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.

Варисторы можно соединять последовательно и параллельно , у них сопротивление нелинейное, напряжение между ними само выровняется. По сути варистор можно считать двухсторонним (на зависящим от полярности) стабилитроном, только с более мягкой характеристикой. К примеру нужно получить варистор на 360В, для этого возьмем два по 180В и соединим их последовательно! Для увеличения мощности варистора из нескольких небольших, можно получить мощную сборку, соединив их параллельно, однако надо учесть что существует определенный разброс параметров классификационных напряжений у каждого варистора из сборки, поэтому применение одного более мощного варистора более предпочтительно. Чтобы обеспечить нормальную параллельную работу варисторов - необходимо строгое совпадение ВАХ. Эта задача вполне разрешима при последовательно-параллельной схеме включения - т.е. варисторы последовательно собираются в столбы, а столбы соединяются параллельно. При этом путем подбора варисторов обеспечивают совпадение ВАХ столбов варисторов. Так поступают при создании высоковольтных, мощных ограничителей перенапряжений (ОПН).

Частой причиной выхода из строя оборудования, например, блоков питания, является наличие в сети импульсов перенапряжения. Они могут быть вызваны различными электромагнитными помехами, связанными с грозовыми разрядами, либо с коммутацией и разрядами индуктивных и емкостных элементов цепи, а также соответствующими переходными процессами.

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

Свойства полупроводников изменять свою электропроводность под действием внешних возбуждений используется при построении ряда простейших полупроводниковых приборов (беспереходных), так называемых полупроводниковых резисторов.

Полупроводниковые резисторы – это множество видов резисторов, изготовленных из различных полупроводниковых материалов и использующих зависимость их электрического сопротивления от разнообразных воздействующих на резистор факторов. Соответственно выделяют:

варисторы (зависимость R от напряжения U);

терморезисторы (от температуры Т);

фоторезисторы (от светового потока Ф);

магниторезисторы (от магнитного поля В);

тензорезисторы (от механического давления Р).

Условные обозначения полупроводниковых резисторов приведены на рис. 1.

Наличие полупроводниковых резисторов с таким широким спектром зависимостей позволяет использовать их в разрабатываемой радиоэлектронной аппаратуре для решения множества разнообразных задач:

в качестве датчиков для измерения соответствующего параметра (U, Т, Ф, В, Р);

в устройствах стабилизации параметров объектов;

в системах сигнализации и защиты от перегрузок;

в системах регулирования физических величин;

в системах преобразования сигналов.

Варисторы

Варистор – это полупроводниковый резистор, сопротивление которого нелинейно зависит от приложенного как положительного, так и отрицательного напряжения. Варистор имеет два вывода.

В настоящее время варисторы достаточно широко используются, прежде всего как элементы защиты от перенапряжений, более того, в силу симметричности высоконелинейной вольт-амперной характеристики при уникально высокой импульсной устойчивости, оксидно-полупроводниковые варисторы в настоящее время являются практически единственным реальным и массовым быстродействующим средством защиты сложных и дорогостоящих полупроводниковых систем различного назначения.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) варистора нелинейная и симметричная (рис. 2).

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика варистора

Основными материалами, используемыми для изготовления варисторов, являются карбид кремния и оксид цинка.

Принцип действия варисторов на основе карбида кремния

Чтобы получить такую зависимость I (U ) варисторы изготавливают в основном из карбида кремния SiC, порошкообразные зерна которого размером 20 …180 мкм перемешивают с 10 … 40 % связующего диэлектрического материала – глины, керамики, прессуют и обжигают при высокой температуре. В результате варистор представляет собой внутри конгломерат зерен с самой разной величиной зазоров и площадей соприкосновения.

Нелинейность ВАХ этого типа варистора обусловлена увеличением в сильных электрических полях проводимости поверхностных потенциальных барьеров или окисных плёнок на кристаллах. А также увеличением проводимости точечных контактов между кристаллами из-за разогрева в связи с выделяющейся на них мощностью.

Поскольку толщина поверхностных потенциальных барьеров и окисных пленок на кристаллах карбида кремния мала, там могут возникать сильные электрические поля даже при малых напряжениях на варисторе, что приводит к туннелированию носителей заряда сквозь потенциальные барьеры или сквозь тонкие оксидные пленки. Таким образом, при малых напряжениях на варисторе нелинейность ВАХ связана с зависимостью проводимости поверхностных потенциальных барьеров и окисных пленок, от величины напряжения.

При больших напряжениях на варисторе и соответственно, при больших токах, проходящих через варистор, плотность тока в точечных контактах оказывается очень большой. Все напряжение, приложенное к варистору, падает на точечных контактах. Поэтому удельная мощность, выделяющаяся в точечных контактах, достигает таких значений, которые нельзя не учитывать. Разогрев точечных контактов приводит к уменьшению их сопротивления и к нелинейности ВАХ.

При мелкозернистой структуре эти механизмы практически не зависят от полярности приложенного напряжения – соответственно ВАХ варистора получается симметричной.

Сопротивление точечных контактов определяется сопротивлением растекания, т.е. сопротивлением малых активных областей полупроводника под точечными контактами. Из-за малости активных областей их разогрев практически не приводит к повышению температуры всего варистора. Кроме того, малые объемы активных областей обеспечивают малую инерционность тепловых процессов. Теоретические расчеты показывают, что тепловая постоянная времени активных областей может составлять 10,6…1,7 с. Считая разогрев активных областей одним из основных процессов, приводящих к нелинейности ВАХ в рабочем диапазоне напряжений и токов для варистора, можно получить ряд важных зависимостей и характеристик варистора.

Температурная зависимость удельной проводимости полупроводников соответствует уравнению:
.

Сопротивление растекания двух контактирующих кристаллов:
,

где d – диаметр точечного контакта,B – коэффициент температурной чувствительности поверхностных слоёв кристалла.

Тогда статическое сопротивление варистора, состоящего из N параллельно включённых цепочек, имеющих свою очередьN ’ последовательно включённых контактирующих кристаллов:
.

Уравнение теплового баланса для активных областей варистора:

где Н – коэффициент рассеяния активных областей,Т – температура активных областей,Т – температура среды, окружающей активные области.

ВАХ приближенно может быть представлена уравнениями:

,
,

где U ,I – напряжение и ток варистора,C ,B ,
, – некоторые коэффициенты, причем
,
.

Параметры и характеристики варисторов на основе карбида кремния

Коэффициент нелинейности характеризует нелинейность ВАХ варистора. Для линейных резисторов он равен единице, для нелинейных – существенно больше единицы, причем с увеличением нелинейность ВАХ возрастает. Выражение для вычисления коэффициента нелинейности можно получить из соотношения между статическим и динамическими сопротивлениями варистора в определенной точке ВАХ:

ВАХ варистора в двойном логарифмическом масштабе (рис. 3):

lgU =lgI +lgC

EMBED Word.Picture.8

Рис. 3. ВАХ варистора в двойном логарифмическом масштабе

Коэффициент нелинейности в этом случае будет численно равен котангенсу угла наклона характеристики к оси токов: β = ctg= (lgI 2 - lgI 1)/(lgU 2 -lgU 1).

Для вычисления зависимости сопротивления варистора от протекающего по нему тока или приложенного напряжения пользуются соотношением:

R =CI α-1 /B

Иногда в практических расчетах неудобно пользоваться аналитическими выражениями ВАХ. В этом случае в достаточно широком диапазоне напряжений можно пользоваться эмпирическим уравнением:
,

где – электрическая проводимость рабочего тела варистора в слабых полях,a – постоянная. ВАХ варистора представлена на рис. 2.

Тогда коэффициент нелинейности β и постоянная В примут следующий вид:

,
.

Расчетные зависимости β от внешнего напряжения представлены на рис. 4.

Рис. 4. Расчетная зависимость коэффициента нелинейности от напряжения при различных температурах (В = 600 К)