Принцип работы варистора в электрической цепи

В связи с данной потребностью, ведущие мировые производители варисторов направляют свои усилия именно в сторону повышения их быстродействия. Один из путей достижения данной цели — сокращение длины (соответственно индуктивности) выводов многослойных компонентов. Такие CN-варисторы уже заняли достойное место в деле защиты от статики выводов интегральных микросхем.

Варистором называется полупроводниковый компонент, способный нелинейно изменять свое активное сопротивление в зависимости от величины приложенного к нему напряжения. По сути это — резистор с такой вольт-амперной характеристикой, линейный участок которой ограничен узким диапазоном, к которому приходит сопротивление варистора при приложении к нему напряжения выше определенного порогового.

В этот момент сопротивление элемента скачкообразно изменяется на несколько порядков — уменьшается от изначальных десятков МОм до единиц Ом. И чем сильнее повышается приложенное напряжение — тем меньше и меньше становится сопротивление варистора. Данное свойство делает варистор главным элементом современных устройств защиты от импульсных перенапряжений.

Будучи подключен параллельно защищаемой нагрузке, варистор берет на себя ток помехи и рассеивает его в форме тепла. А по окончании данного события, когда приложенное напряжение снижается и возвращается за порог, варистор восстанавливает свое исходное сопротивление, и снова готов выполнять защитную функцию.

Можно сказать, что варистор представляет собой полупроводниковый аналог газового разрядника, только у варистора, в отличие от газового разрядника, первоначальное высокое сопротивление восстанавливается быстрее, практически отсутствует инерционность, да и диапазон номинальных напряжений начинается от 6 и доходит до 1000 и более вольт.

По этой причине варисторы находят широкое применение в защитных цепях полупроводниковых ключей, в схемах с индуктивными элементами (для искрогашения), а также в качестве самостоятельных элементов электростатической защиты входных цепей радиоэлектронных устройств.

Процесс изготовления варистора заключается в спекании порошкообразного полупроводника со связующим компонентом при температуре в районе 1700 °C. Здесь в ход идут такие полупроводники как оксид цинка или карбид кремния. Связующим веществом может служить жидкое стекло, глина, лак или смола. На полученный путем спекания дискообразный элемент металлизацией наносят электроды, к которым и припаивают монтажные выводы компонента.

Кроме традиционной дисковой формы, можно встретить варисторы в форме стержней, бусинок и пленок. Перестраиваемые варисторы изготавливают в форме стержней с подвижным контактом. Традиционные полупроводниковые материалы, применяемые в производстве варисторов на основе карбида кремния с разными связками: тирит, вилит, лэтин, силит.

Внутренний принцип действия варистора заключается в том, что грани маленьких полупроводниковых кристаллов внутри связующей массы соприкасаются друг с другом, образуя проводящие цепочки. При прохождении через них тока определенной величины, наступает местный перегрев кристаллов, и сопротивление цепочек падает. Этим явлением и объясняется нелинейность ВАХ варистора.

Один из главных параметров варистора, наряду со среднеквадратичным напряжением срабатывания, — коэффициент нелинейности, показывающий отношение статического сопротивления к динамическому. Для варисторов на основе оксида цинка данный параметр лежит в диапазоне от 20 до 100. Что касается температурного коэффициента сопротивления варистора (ТКС), то он обычно отрицателен.

Варисторы компактны, надежны, хорошо справляются со своей задачей в широком диапазоне рабочих температур. На печатных платах и в УЗИП можно встретить маленькие дисковые варисторы диаметром от 5 до 20 мм. Для рассеивания более высоких мощностей применяются блочные варисторы с габаритными размерами 50, 120 и более миллиметров, способные рассеивать в импульсе килоджоули энергии и пропускать через себя токи в десятки тысяч ампер, при этом не терять работоспособности.

Один из самых важных параметров любого варистора — время срабатывания. Хотя обычное для варистора время активации не превышает 25 нс, и в некоторых цепях этого достаточно, тем не менее кое-где, например для защиты от электростатики, необходима более быстрая реакция, не более 1 нс.

В связи с данной потребностью, ведущие мировые производители варисторов направляют свои усилия именно в сторону повышения их быстродействия. Один из путей достижения данной цели — сокращение длины (соответственно индуктивности) выводов многослойных компонентов. Такие CN-варисторы уже заняли достойное место в деле защиты от статики выводов интегральных микросхем.

Классификационное напряжение варистора DC (1mA) — является условным параметром, при данном напряжении ток через варистор не превышает 1 мА. Именно классификационное напряжение указывается в маркировке варистора.

ACrms — среднеквадратичное переменное напряжение срабатывания варистора. DC – напряжение срабатывания на постоянном напряжении.

Для получения большей рассеиваемой мощности допускается параллельное и последовательное включение варисторов. При параллельном включении важно подобрать варисторы максимально близкие по параметрам.

Варистор является пассивным двухвыводным, твердотельным полупроводниковым прибором, который используется для обеспечения защиты электрических и электронных схем. В отличие от плавкого предохранителя или автоматического выключателя, которые обеспечивают защиту по току, варистор обеспечивает защиту от перенапряжения с помощью стабилизации напряжения подобно стабилитрону.

Форма волны переменного тока в переходном процессе

Варисторы подключаются непосредственно к цепям электропитания (фаза — нейтраль, фаза-фаза) при работе на переменном токе, либо плюс и минус питания при работе на постоянном токе и должны быть рассчитаны на соответствующее напряжение. Варисторы также могут быть использованы для стабилизации постоянного напряжения и главным образом для защиты электронной схемы от высоких импульсов напряжения.

Существуют различные типы исполнения, однако варистор на основе окиси металла является наиболее часто используемым в электронных устройствах. Как было сказано выше, основное назначение варистора в электронных схемах — защита цепи от чрезмерного всплеска напряжения переходных процессов. Эти переходные процессы обычно происходят из-за разряда статического электричества и грозовых перенапряжений.

Принцип работы варистора

В обычном рабочем состоянии варистор имеет высокое сопротивление. Всякий раз, когда переходное напряжение резко возрастает, сопротивление варистора тут же уменьшаться. Таким образом, он начитает проводить через себя ток, снижая тем самым напряжение до безопасного уровня.

Существуют различные типы исполнения, однако варистор на основе окиси металла является наиболее часто используемым в электронных устройствах. Как было сказано выше, основное назначение варистора в электронных схемах — защита цепи от чрезмерного всплеска напряжения переходных процессов. Эти переходные процессы обычно происходят из-за разряда статического электричества и грозовых перенапряжений.

Принцип работы варистора можно легко понять, взглянув на кривую зависимости сопротивления от приложенного напряжения.

На графике выше видно, что во время нормального рабочего напряжения (скажем низкого напряжения) сопротивление его очень высоко и если напряжение превышает номинальное значение варистора, то его сопротивление начинает уменьшаться.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) варистора показанная на рисунке выше. Из рисунка видно, небольшое изменение напряжения вызывает значительное изменение тока.

Уровень напряжения (классификационное напряжение), при котором ток, протекающий через варистор составляет 1 мА, является уровнем, при котором варистор переходит из непроводящего состояния в проводящее. Это происходит потому, что, всякий раз, когда приложенное напряжение превышает или равно номинальному напряжению, происходит лавинный эффект, переводящий варистор в состояние электропроводности в результате снижения сопротивления.

Таким образом, даже, несмотря на быстрый рост малого тока утечки, напряжение будет чуть выше номинального значения. Следовательно, варистор будет регулировать напряжение переходных процессов относительно приложенного напряжения.

Измерять сопротивление нужно два раза, меняя полярность подключения тестера.

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.

Рис. 3. Внешний вид мощных варисторов.

Виды варисторов

Типовое значение времени срабатывания варисторов при воздействии перенапряжения составляет не более 25 наносекунд (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 нс (при расположении таких элементов на печатной плате для получения указанного быстродействия уже необходимо минимизировать индуктивности внешних соединительных проводников).

В дисковой конструкции варисторов за счет индуктивности выводов время срабатывания увеличивается до нескольких наносекунд.

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

Рис. 2. Внешний вид варисторов.

Рис. 3. Внешний вид мощных варисторов.

Например, в области производства сотовых телефонов многослойные варисторы можно считать уже стандартом в защите от статического электричества.

CN-варисторы могут надежно защищать от статических разрядов: клавиатуры, разъемы для подключения факса и модема, соединители зарядных устройств, входы интегральных аналоговых микросхем, выводы микропроцессоров.

На практике, например, при ремонте электронного устройства приходится работать с маркировкой варистора, обычно она выполнена в виде:

Устройство

Варисторы устроены достаточно просто — внутри есть кристалл полупроводникового материала, чаще всего это Оксид Цинка (ZiO) или Карбид Кремния (SiC). Прессованный порошок этих материалов подвергают высокотемпературной обработке (запекают) и покрывают диэлектрической оболочкой. Встречаются либо в исполнении с аксиальными выводами, для монтажа в отверстия на печатной плате, а также в SMD-корпусе.

На рисунке ниже наглядно изображено внутреннее устройство варистора:

Варисторы «образуются», когда кристаллы карбида кремния или оксидов металлов вдавливаются в керамический материал.

Устройство варистора

Варисторы «образуются», когда кристаллы карбида кремния или оксидов металлов вдавливаются в керамический материал.

Затем спекание материала проводится при высокой температуре после его высыхания. Электрические характеристики устройства зависят от температуры и атмосферных условий.

Чтобы иметь хорошо проводимые электрические контакты, контакты материала металлизированы серебром или медью. Затем провода припаиваются к контактам.

На рисунке ниже показан дисковый варистор:

В настоящее время это наиболее распространенные ограничители напряжения, которые можно использовать для широкого диапазона напряжений. Это нелинейное устройство, которое поглощает разрушающую энергию и рассеивает ее в виде тепла, чтобы предотвратить повреждение системы.

Обычно при его изготовлении используется оксид цинка, поэтому его также называют варистором на основе оксида металла.

На рисунке ниже показана структура металлооксидного варистора:

Здесь полупроводниковый элемент на 90% состоит из оксида цинка, а остальное — наполнитель, который образует соединение. Стандартный карбид кремния отличается от металлооксидного варистора тем, что MOV демонстрирует меньший ток утечки и его рабочая скорость выше.

Давайте рассмотрим работу варистора при нормальном рабочем напряжении имеем следующие протекания токов:

Давайте рассмотрим работу варистора при нормальном рабочем напряжении имеем следующие протекания токов:

Предположим, что в схеме установлен варистор, срабатывающий от 250 вольт. Пока уровень ниже данного значения, сопротивление варистора огромно, и сетевое питание 220 В питает схему, минуя варистор.

При подаче на варистор допустим 300 вольт в аварийной ситуации, сопротивление варистора резко падает, и он начинает принимать всю нагрузку только на себя. Благодаря этому, завышенный потенциал не пройдет на схему, тем самым, защищая ее.

Когда варистор срабатывает, то вся нагрузка идет на предохранитель, и он перегорает, тем самым спасая электронное устройство от перегрузки.

Все варисторы подсоединяются параллельно нагрузке, правильнее всего их будет включать между фазовым проводом и проводом заземления или нейтралью.

В трехфазной сети переменного тока, при подсоединение нагрузки «звездой», варисторы подключаются между каждой фазой и проводом заземления. А при соединении нагрузки «треугольником», варисторы подключены между фазами.

Чаще всего на корпусе варистора указана достаточно длинная маркировка, на примере 20D471K расшифруем ее и узнаем основные технические характеристики варистора.

Итак, разложим все по полочкам:

У некоторых производителей варисторов, маркировки отличаются друг от друга, но не существенно. Примеры маркировки этого варистора, но от разных фирм: Epcos — S20K300, TVR -TVR20D471, Fenghua — FNR-20K471, JVR — JVR-20N471K, CNR — CNR20D471.

Как проверить варистор

Первым делом необходимо выполнить внешний осмотр варистора на схеме, пытаемся обнаружить на нем сколы и трещины, почернения и следы нагара. При выявлении таких проблем варистор нужно обязательно заменить, даже если он и пока исправный. Если нет нового можно на непродолжительное время даже выпаять его из схемы, она будет работать и без него. Но при всплеске напряжения выйдут из строя уже другие компоненты устройства и потребуется более дорогой ремонт электронного оборудования.

Если внешний осмотр дефектов не выявил, на всякий случай прозвоните варистор мультиметром, его сопротивление должно быть гораздо больше измерительного диапазана на вашем приборе.

При проверки варистора омметром прибор покажет величину статического сопротивления представляющего собой отношение постоянного напряжения, приложенного к варистору, к постоянному току, протекающему через варистор.

Изготавливают варисторы технологическим способом методом спекания полупроводника при температуре около 1700 °C, обычно для этих целий используют порошкообразный карбид кремния или оксида цинка, и какого либо связующего вещества, например глина, жидкое стекло,и т.п. В завершающей стадии поверхность элемента металлизируют и припаивают к ней металлические выводы. Конструктивно варисторы изготавливаются в виде дисков, таблеток и стержней.

Источником подобных импульсов является индуктивный выброс, происходящий из-за переключения катушек индуктивности, выпрямительных трансформаторов, двигателей, скачки от включения высоковольтных схем запуска люминесцентных ламп и т.п.

В нормальном режиме работы, варистор облодает очень высоким сопротивлением, поэтому его ВАХ (вольт-амперная характеристика) напоминает ВАХ стабилитрона. Но в тот момент, когда на варисторе напряжение превысит номинальный уровень, его эффективное сопротивление сильно снижается.

Как мы видим из графика варистор обладает симметричной двунаправленной характеристикой, то есть он работает в обоих направлениях, подобно стабилитрону

Из-за огромного внутреннего сопротивления, варистор не оказывает заметного влияние на схему питания, пока напряжение не привысило номинального уровня. При превышении уровня происходит переход из изолирующего состояния в электропроводящее состояние за счет лавинного эффекта в полупроводнике. При этом ток утечки, протекающий через него,скачкообразно возрастает, но напряжение на нем остается практически на том-же уровне.

Так как варистор, посоединяется к обоим выводам питания, то при нормальном уровни напряжения он обладает определенным значением емкости которая прямо пропорциональна площади и обратно пропорциональна толщине. В случае применения в цепях постоянного напряжения, емкость варистора остается более-менее постоянной.

Выпускаемые электронной промышленностью варисторы имеют широкий диапазон от 10 вольт и до нескольких тысяч, но их лучше выбирать с небольшим запасом, так для стандартных 230 вольт необходимо выбрать варистор на 250-260 вольт.

Принцип работы варистора прост. При наличии в электрической цепи нормального уровня напряжения варистор пропускает через себя малый ток. В случае достижения в системе, в силу обстоятельств, предельных значений напряжения, варистор открывается и пропускает все токовые силы . Таким образом, осуществляется регулировка работы электрической цепи.

Маркировка варисторов

В настоящее время каждый производитель устанавливает свою маркировку на эти типы приборов. Это объясняется тем, что производимые приборы имеют разные технические характеристики. Например, предельно допустимое напряжение или необходимый для функционирования уровень тока.

Наиболее распространенными маркировками является обозначение вида CNR, которая дополняется такими элементами, как 07D390K. Обозначения имеют следующее значение:

1. CNR – серия варистора. Приборы с данным обозначением являются металлооксидными.
2. 07 – величина устройства в диаметре (7 миллиметров).
3. D – дисковый прибор.
4. 390 – предельно допустимый показатель уровня напряжения.

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

Характеристики варистора

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

Рис. 1. Фотография гранулярной структуры варистора, сделанная с помощью электронного микроскопа

Симметричная ВАХ показана на рисунке 2. Благодаря ей варистор отлично справляется с подавлением скачков напряжения. Когда они появляются в цепи, сопротивление варистора уменьшается во множество раз: от почти непроводящего состояния до высокопроводящего, уменьшая импульс напряжения до безопасного для цепи значения. Таким образом, потенциально опасная для элементов цепи энергия входного импульса напряжения абсорбируется варистором и защищает компоненты, чувствительные к скачкам напряжения.

Рис. 2. Симметричная ВАХ варистора

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.

, (1)

где d – средний размер гранулы.

,

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.

Рис. 4. Результат увеличения напряжения в сети на продолжительное время

Проведем сравнительный анализ наиболее популярных варисторов производства компаний Littelfuse, Epcos и Fenghua с рабочим напряжением 250 и 275 В (АС rms) и диаметром диска 10, 14 и 20 мм.

Таблица 2. Сравнительный анализ наиболее популярных варисторов производства компаний Littelfuse, Epcos и Fenghua

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

Таблица 3. Области применения варисторов Littelfuse

Область применения варисторов:

Применение варистора играет важную роль в системе защиты чувствительных электронных схем от скачков напряжения и высоковольтных переходных процессов. Принцип работы этих элементов основан на изменении сопротивления полупроводниковой структуры под воздействием высокого напряжения.

Серия VDR имеет стандартное значение времени срабатывания варисторов при воздействии перенапряжения, которое составляет не более 25 нc. Диапазон напряжения срабатывания от 12 В до 1800 В. Диапазон рабочей температуры -40°С

Область применения варисторов:

• промышленное оборудование;
• источники питания;
• фотоэлектрические приборы;
• бытовая электроника;
• телекоммуникации;
• инверторы.