Варистор. Свойства, применение и характеристики варистора.

Варисторы – полупроводниковые резисторы с симметричной и резко выраженной нелинейной
вольт-амперной харктеристикой. За счет этого варисторы позволяют просто и эффективно решать задачи защиты различных устройств от импульсных напряжений.

Основное свойство которых заключается в способности значительно изменять свое электрическое сопротивление при изменении подаваемого на него напряжения. Варисторы включаются параллельно защи щаемому оборудованию (реле), т.е. при нормальной эксплуатации он находится под действием рабочего напряжения защищаемого устройства. В рабочем режиме (при отсутствии импульсных напряжений) ток через варистор пренебрежимо мал, и поэтому варистор в этих условиях представляет собой изолятор.

При возникновении импульса напряжения варистор в силу нелинейности своей характеристики резко уменьшает свое сопротивление до долей Ома и шунтирует нагрузку, защищая ее, и рассеивая поглащенную энергию в виде тепла. В этом случае через варистор кратковременно может протекать ток, достигающий нескольких тысяч ампер.

При неизменном значении напряжения, приложенного к варистору, изменение полярности не приводит к изменению протекающего тока, т.е. вольт-амперная характеристика варистора – симметричная. Варисторы практически безинерционны, вслед за увеличением напряженности электрического поля у них сразу же уменьшается сопротивление.

Варисторы типа ВР-1 негерметизированные неизолированные предназначены для защиты элементов и узлов аппаратуры от перенапряжений в электрических цепях постоянного, переменного и импульсного тока.

Варисторы типа ВР-2 негерметизированные неизолированные предназначены для стабилизации напряжения и защиты элементов и узлов аппаратуры от перенапряжений в электрических цепях постоянного, переменного и импульсного тока.

Варисторы серии СН также предназначены для защиты от перенапряжений в электрических цепях постоянного, переменного и импульсного тока.

Одной из характеристик варистора является классификационное напряжение (Uкл) – это напряжение на варисторе при определенном токе. Как правило, изготовители варисторов в качестве классификационного напряжения указывют напряжение на варисторе при токе 1мА.

Важной характеристикой варистора является допускаемая мощность рассеивания – она характеризует возможность рассеивать поглащаемую электрическую энергию в виде тепла. Этот показатель в основном определяется геометрическими размерами варистора и конструкцией выводов. Для увеличения мощности рассеивания часто применяют массивные выводы, которые играют роль своеобразного радиатора.

Варисторы могут работать при последовательном включении – при этом в них протекает одинаковый ток, общее напряжение разделится пропорцирнально сопротивлениям ( в первом приближении – пропорционально классифицированным напряжениям), в этих же пропорциях разделится поглащаемая энергия. Сложнее обеспечить 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)

Варисторы оксидно-цинковые

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 % . Максимально допустимое длительное действующее переменное напряжение 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:

 

где E — максимальная мгновенная энергия в джоулях, P — номинальная мощность нагрузки, приходящаяся на одну фазу (Вт), f — частота переменного напряжения (Гц), ? — 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

 

Таблица 2

 

Пример 1. Определить марку варисторов для защиты электродвигателя ВАСО16-34-24 при соединении обмоток “звездой” в сети 0.4 кВ.

 

Решение.

Т.к. обмотки соединены “звездой”, то каждая из них находится под напряжением 220В. Если учесть нормируемое предельно допустимое отклонение напряжения 15 %, то макси- мальное рабочее напряжение составит 253 В. Из таблицы 1 видно, что условию п.1 удов- летворяют варисторы с классификационным напряжением 430 В .

Из паспортных данных электродвигателя известно, что его мощность 90 кВт, КПД 91.8%, а cos? = 0.64. Рассчитаем величину максимальной мгновенной энергии:

 

 

Из таблицы 2 видно, что для защиты этого электродвигателя может быть использован ва- ристор СН2-2 ( вар. А,Г) с классификационным напряжением 430 В с максимальной мощ- ностью рассеивания 138 Дж.

 

Пример 2. Определить марку варистора для защиты электродвигателя АО-315-УУ3 при соединении обмоток “треугольником”.

 

Решение.

При соединении “треугольником” каждая обмотка находится под напряжением 380В. Если нормируемое предельно допустимое отклонение напряжения составит 15 %, то мак- симальное длительное напряжение составит 437 В. Из таблицы 1 видно, что условие п.1 может быть удовлетворено только при использовании варисторов с классификационным напряжением 750 В и выше.

Мощность двигателя 200 кВт, КПД 90%, cos? = 0.92. Рассчитаем Е:

 

 

Из таблицы 2 видно, что уже варистор СН2-2 750 В имеет более высокую энергию рассеяния (248 Дж), поэтому он и должен использоваться.

 

При использовании двухфазной нагрузки величину мощности не нужно делить на 3. Расчеты показывают, что уже варистор СН2-2 (вар. А,Г) в большинстве случаев обеспечивает защиту электрооборудования мощностью до 30 кВт. Это означает, что для бытовых электроприборов практически достаточно рассмотрение лишь п.1 и применять малогабаритные варисторы типа СН2-1 или аналогичные.

 

На практике есть случаи, когда величина расчетного рабочего тока не совпадает с экспериментальными значениями. Как правило это бывает на переменном токе , когда не учитывают величину реактивного тока, который можно рассчитать по известным формулам. Так реактивный ток варистора СН2-1 с классификационным напряжением 430В (его номи- нальная емкость 600пФ), при установке в бытовую сеть 220В составит 0,04мА (что соиз- меримо с предельным рабочим током 0,1мА).

 

 

 

Варистор характеристики и принцип действия

В группу компонентов, выполняющих функции ограничения резких всплесков напряжения, входит такой элемент, как варистор. Характеристики данного устройства, особенности работы и область применения в этом обзоре будут рассмотрены достаточно подробно. На практике подключение данного прибора к цепи выполняется чаще всего параллельным способом.

Принцип действия варистора

Симметричность нелинейной характеристики по показателям вольтамперности определяет основную особенность варистора. Возможность работы при токах постоянного и переменного вида видна по форме данного параметра. В схематическом виде это выглядит следующим образом.

Ток утечки, проходящий через прибор, имеет предельно низкую величину. В данном случае речь идет об имеющем фиксированную емкость диэлектрическом компоненте не пропускающем через себя ток. При этом, в некоторых ситуациях прохождение тока становится возможным, если напряжение резко меняется в диапазоне ±60 Вольт.

Все происходящее во многом аналогично функционированию разрядника. Отличие в том, что результатом становится резкая перемена напряжения, а не возникновение разряда дугового типа. Скачок от нескольких единиц до тысяч Ампер происходит для параметров тока при снижении напряжения. На схеме варистор обычно изображается так:

Графически все это напоминает стандартный резистор с линией, которая перечеркивает его по диагонали. Иногда на нее наносят символ U. Поиск данного компонента на схемах и платах производится при помощи обозначений VA и RU.

Защита определенной цепи происходит при параллельном варианте подключения варистора. Резкий импульс изменения рабочего напряжения сопровождается тепловым рассеиванием энергии в данном элементе, а не его поступлением в электрическое устройство. При аномально больших параметрах импульса варистор сгорит. Обычно это происходит или в виде разрушения его кристалла с коротким замыканием электродов, или разрывом элемента на мелкие части.

Предотвратить такую ситуацию можно методом последовательной установки перед варистором предохранителя на питающем или сигнальном проводе цепи. Таким образом, гарантируется при возникновении мощного импульса разрыв цепи из-за перегорания предохранителя.

Можно говорить о том, что свойства варистора обеспечивают защиту цепи на электро- и информационных линиях от аномальных всплесков напряжения.

Варистор параметры и характеристики

Прессованный порошок карбида кремния или оксида цинка составляет основу кристалла, размещенного внутри данного прибора. Материал запекается при очень высокой температуре и покрывается специальной оболочкой с диэлектрическими свойствами. Конструкция обычно выполняется в корпусе SMD или, при потребности монтажа, на плате с наличием аксиальных выводов.

Внутренняя часть показана на рисунке ниже:

Выбор устройства происходит с учетом его главных характеристик:

1. Un – классификационное напряжение, необходимое для протекания по варистору тока в 1 мА. При увеличении данного параметра происходит лавинообразное изменение тока. Этот показатель обязательно обозначается в маркировке.
2. Измеряемая в Джоулях наибольшая величина одиночного импульса – W.
3. Р – определяющая способность элемента, без потери своих свойств, выполнить рассеивание номинальной мощности.
4. Со – параметры мощности в закрытом состоянии. Данный показатель особенно актуален в цепях высокочастотного типа.
5. ipp – наибольший ток импульса.

Выделяют две разновидности напряжения – постоянное максимальное Um= и переменное среднеквадратическое или наибольшее действующее Um-.

Особенности маркировки

Существует много вариантов обозначений, которые применяют производители. На маркировку главное влияние оказывают технические характеристики отдельно взятого варистора. К таким показателям обычно относятся требуемый уровень тока или допустимое напряжение.

Разность в параметрах обуславливает и варианты маркировки. В число наиболее популярных аббревиатур входит обозначение CNR с добавлением набора символов 07D390K.

Рассмотрим, как расшифровывается каждый из имеющихся символов. CNR – это вид самого прибора. В нашем случае речь идет о металлооксидном варисторе.

Размер по диаметру – 07, что идентично 7 мм. Отношение к дисковым устройствам – D. А наибольшее значение напряжения – 390.

Применение варисторов

В качестве защитного компонента варисторы используются в таких сферах:

• информационные входы в электронных приборах;
• все виды линий для связи;
• цепи, которые входят в категорию силовых.

Обратите внимание на то, что в дешевых блоках защита отсутствует по умолчанию. А вот в качественных модификациях обязательно имеется варистор.

Такие элементы устанавливаются и в сетевых фильтрах современных компьютеров.

Для обеспечения безопасности при использовании светодиодных ламп китайского производства специалисты рекомендуют разместить варистор параллельно патрону.

Защита дома или квартиры выполняется монтажом устройства на дин-рейке. Один из распространенных вариантов – модель ОИН-1.

Преимущества варисторов

Из основных положительных моментов следует отметить:

• безинерционный способ отслеживания перепадов тока;
• хорошая скорость рабочего процесса;
• длительные сроки службы;
• большой диапазон напряжения во время использования – от 12 до 1800 В.

Простая конструкция – гарантия доступной стоимости прибора.

Из относительных минусов следует упомянуть влияние на работу цепи из-за большого показателя собственной емкости. Негативный нюанс – неспособность при очень большом напряжении рассеивать мощность так же, как разрядник.

Основная функция – предотвратить поломку электроприборов при резких скачках напряжения и устранить угрозу перегорания проводки. Благодаря этому варисторы широко применяются в различных отраслях.

Варистор — Википедия. Что такое Варистор

Обозначение на схеме Вольт-амперные характеристики варисторов: синие — на основе ZnO, красные — на основе SiC. Разные варисторы

Вари́стор (лат. vari(able) — переменный (resi)sto — резистор) — полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление (проводимость) которого нелинейно зависит от приложенного напряжения, то есть обладающий нелинейной симметричной вольт-амперной характеристикой и имеющий два вывода. Обладает свойством резко уменьшать своё сопротивление с миллиардов до десятков Ом при увеличении приложенного к нему напряжения выше пороговой величины

[1]. При дальнейшем увеличении напряжения сопротивление уменьшается ещё сильнее. Благодаря отсутствию сопровождающих токов при скачкообразном изменении приложенного напряжения, варисторы являются основным элементом для производства устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).

Изготовление

Изготавливают варисторы спеканием при температуре около 1700 °C полупроводника, преимущественно порошкообразного карбида кремния (SiC) или оксида цинка (ZnO), и связующего вещества (например, глина, жидкое стекло, лаки, смолы). Далее две поверхности полученного элемента металлизируют (обычно электроды имеют форму дисков) и припаивают к ним металлические проволочные выводы.

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

Свойства

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

Один из основных параметров варистора — коэффициент нелинейности λ — определяется отношением его статического сопротивления R к динамическому сопротивлению R_d:

λ=RRd=UI:dUdI≈const{\displaystyle \lambda ={\frac {R}{R_{d}}}={\frac {U}{I}}:{\frac {dU}{dI}}\approx const},

где U — напряжение, I — ток варистора

Коэффициент нелинейности лежит в пределах 2-10 у варисторов на основе SiC и 20-100 у варисторов на основе ZnO.

Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) варистора — отрицательная величина.

Применение

Низковольтные варисторы изготавливают на рабочее напряжение от 3 до 200 В и ток от 0,0001 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 дёшевы и надёжны, 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.

Материалы варисторов

Тирит, вилит, лэтин, силит — полупроводниковые материалы на основе карбида кремния с разными связками. Оксид цинка — новый материал для варисторов.

Параметры

При описании характеристик варисторов в основном используются следующие параметры^[1]:

• Классификационное напряжение U_n — напряжение при определённом токе (обычно 1 мА), условный параметр для маркировки изделий;
• Максимально допустимое напряжение U_m для постоянного тока и для переменного тока (среднеквадратичное или действующее значение), диапазон — от нескольких В до нескольких десятков кВ; может быть превышено только при перенапряжениях;
• Номинальная средняя рассеиваемая мощность P — мощность в ваттах (Вт), которую варистор может рассеивать в течение всего срока службы при сохранении параметров в заданных пределах;
• Максимальный импульсный ток I_pp (Peak Surge Current) в амперах (А), для которого нормируется время нарастания и длительность импульса;
• Максимальная допустимая поглощаемая энергия W (Absorption energy) в джоулях (Дж), при воздействии одиночного импульса;
• Ёмкость C_o, измеренная в закрытом состоянии при заданной частоте; зависит от приложенного напряжения — когда варистор пропускает через себя большой ток, она падает до нуля.

Рабочее напряжение варистора выбирается исходя из допустимой энергии рассеяния и максимальной амплитуды напряжения. Рекомендуется, чтобы на переменном напряжении оно не превышало 0,6 U_n, а на постоянном — 0,85 U_n. Например, в сети с действующим напряжением 220 В (50 Гц) обычно устанавливают варисторы с классификационным напряжением не ниже 380…430 В.

См. также

Примечания

Литература

• В. Г. Герасимов, О. М. Князьков, А. Е. Краснопольский, В. В. Сухоруков. Основы промышленной электроники: Учебник для вузов / Под ред. В. Г. Герасимова. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1978.
• Электроника: Энциклопедический словарь / В. Г. Колесников (главный редактор). — 1-е изд. — М.: Сов. энциклопедия, 1991. — С. 54. — ISBN 5-85270-062-2.
• И. П. Шелестов. Полезные схемы. Книга 5. — М.: СОЛОН-Р, 2002. — 240 с. — (Радиолюбителям). — 7000 экз. — ISBN 5-93455-167-1.