Оглавление
Варисторы — радиокомпоненты, защищающие устройства с питанием от электросети 220 В, от скачков напряжения, источником которых могут быть генераторы, двигатели, реле, трансформаторы большой мощности, перенапряжения вызванные близкими ударами молнии. Давайте рассмотрим их устройство, принцип работы, производственный процесс, параметры и основные принципы выбора в схемах.
| Параметр | Описание |
|---|---|
| Определение | Варистор — это пассивный электронный компонент, сопротивление которого уменьшается при увеличении напряжения. |
| Материал | Оксид металла (обычно оксид цинка, ZnO) |
| Форма | Дисковая, цилиндрическая, или SMD (поверхностный монтаж) |
| Применение | Защита от перенапряжения в цепях, защита от импульсных перенапряжений |
| Основной принцип работы | Нелинейная зависимость сопротивления от приложенного напряжения |
| Типичные параметры | |
| — Номинальное напряжение | Диапазон: от нескольких вольт до тысяч вольт |
| — Максимальный ток | До десятков килоампер |
| — Энергия импульса | До 10–100 Дж |
| — Время отклика | <25 наносекунд |
| Обозначение на схеме | Схож с конденсатором, обозначается буквами RV или MOV (Metal Oxide Varistor) |
| Преимущества | Быстрая реакция, компактные размеры, высокая способность рассеивания энергии |
| Недостатки | Постепенная деградация при частых импульсах, нелинейные характеристики |
| Основные применения | |
| — Бытовая электроника | Телевизоры, микроволновки, холодильники |
| — Промышленная техника | Автоматика, электродвигатели |
| — Энергетика | Системы распределения энергии |
Функция варисторов
Способностью защищать схемы от перенапряжений варисторы обязаны нелинейному характеру их вольт-амперных характеристик. На практике это означает, что в области малых напряжений сопротивление этих компонентов поддерживается на уровне до килоом, а следовательно ток, протекающий через них, составляет порядка микроампер.
При более высоком напряжении ток начинает быстро повышаться. Если напряжение продолжает расти, варистор насыщается и его сопротивление становится на уровне нескольких Ом. Благодаря этому после превышения порогового напряжения подавляются перенапряжения, проводя ток очень большой силы, в то время как при нормальной работе защищаемой цепи они остаются фактически отключенными.
На рисунке показаны структура и условное обозначение варисторов. Это элементы изготовленные из зерен оксида цинка (ZnO) с добавлением других материалов, обычно оксидов висмута, кобальта или магния.
Как делают варисторы
Производство варисторов представляет собой многоэтапный процесс.
- Первым этапом будет предварительная подготовка материалов — зерен ZnO и других оксидов металлов (точный состав в силу его решающего значения для свойств конечного продукта обычно остается секретом производителя). На этом этапе они подлежат контролю качества. Затем их измельчают и смешивают между собой. Для получения однородной смеси требуется даже несколько часов.
- Следующий этап грануляция – для объединения измельченных материалов в более крупные структуры в них добавляют связующее. Далее их глажение. Для этого гранулированный порошок помещают в штампы, где под давлением пресса формуют в диски.
- Следующим этапом является обработка этих дисков. Его первая фаза заключается в испарении связующего. Затем их обжигают при строго контролируемой температуре, обычно превышающей +1000 °С, в течение определенного периода времени, пока они не приобретут требуемые им электрические свойства. Параметры процесса обжига, как и состав обжигаемой смеси, обычно изготовитель держит в секрете.
- Металлизация, лакировка, маркировка. Здесь стоит пояснить, что требуемые электрические свойства варисторов достигаются за счет образования стыков на границе между зернами ZnO. Другие материалы, входящие в состав прессованной и обожженной смеси, не только являются наполнителями между зернами ZnO, но и влияют на их рост при обжиге дисков.
- Затем диски варисторов металлизируются с обеих сторон. Электрические контакты обычно изготавливаются трафаретной печатью из пасты на основе серебра. В каждой партии периодически проводятся визуальные осмотры и проверяется паяемость контактов. Затем к металлизации припаиваются выводы — в рамках контроля качества выборочно проверяется их прочность.
- На следующем этапе варисторы покрывают погружением в бак эпоксидного лака – обычно наносится несколько слоев.
- Наконец, проводится окончательная проверка качества электрических параметров. Проходящие через него варисторы маркируются, например, лазером.
Выбор варистора для схемы
Электрические свойства варисторов характеризуются рядом параметров:
- максимальное длительное напряжение на клеммах варистора (действующее или постоянное),
- номинальное напряжение, возникающее на варисторе при протекании через него тока силой 1 мА (номинальное напряжение это точка на вольтамперной характеристике варисторов, позволяющая сравнивать разные модели между собой),
- максимальная интенсивность броска тока,
- напряжение на варисторе при скачке тока,
- максимально допустимая энергия импульса тока 10 мкс/1000 мкс, что не изменит номинальное напряжение варистора более чем на 10 %.
Варистор, выбранный не в соответствии с требованиями схемы, не будет выполнять свою функцию должным образом, поэтому несмотря на его наличие, чувствительные электронные компоненты в плохо защищенной цепи могут быть повреждены или разрушены. Так что следует соблюдать несколько принципов:
- Максимальное длительное напряжение на клеммах варистора лучше если оно не менее чем на 10 % превышает максимальное напряжение, присутствующее в защищаемой цепи при нормальных условиях эксплуатации. В противном случае элемент будет изнашиваться слишком быстро.
- Надо знать какие броски тока можно ожидать в данной цепи и, следовательно, каким видам перенапряжений она может подвергаться. Важны не только величина и продолжительность, но и количество бросков тока. Эффективность защиты, обеспечиваемой варистором, также должна соответствовать требованиям всех стандартов безопасности, которые охватывают устройство.
Итого, варисторы являются популярными защитными элементами по нескольким причинам. Прежде всего они ценятся за эффективность, себестоимость производства достаточно низкая. Кроме того, их можно использовать в очень широком диапазоне напряжений до сотен киловольт.
И в завершение показаны варисторы в качестве защиты а) источника питания и б) тиристорного моста.
Маркировка конечно немного отличается у разных производителей, поэтому просто приведём типовой пример в таблице выше.
Основные параметры варисторов
А далее таблица, представляющая параметры варисторов, которые обычно указываются в их технической документации:
| Параметр | Обозначение | Описание | Единица измерения |
|---|---|---|---|
| Номинальное напряжение |
|
Напряжение, при котором варистор начинает существенно изменять сопротивление. | Вольт (V) |
| Максимальное рабочее напряжение |
|
Максимальное напряжение, которое может прикладываться к варистору длительное время. | Вольт (V) |
| Напряжение варистора |
|
Напряжение при определенном токе (обычно 1 мА или 10 мА). | Вольт (V) |
| Максимальный ток |
|
Максимальный пиковый ток, который варистор может выдержать без повреждений. | Ампер (A) |
| Энергия импульса |
|
Максимальная энергия, которую варистор может рассеять за один импульс. | Джоуль (J) |
| Емкость |
|
Емкость варистора, измеряемая при низких частотах. | Пикофарад (pF) |
| Время отклика |
|
Время, необходимое для срабатывания варистора при воздействии перенапряжения. | Наносекунды (ns) |
| Температурный коэффициент |
|
Зависимость параметров варистора от температуры окружающей среды. |
|
| Сопротивление при высокой частоте |
|
Сопротивление варистора на высоких частотах. | Ом (Ω) |
| Диапазон рабочих температур |
|
Температурный диапазон, в котором варистор может нормально работать. |
|
| Диаметр корпуса |
|
Физический размер варистора, обычно указывается в миллиметрах. | Миллиметры (мм) |
Итого, варисторы — это пассивные электронные компоненты, которые изменяют свое сопротивление в зависимости от приложенного напряжения. Основой варистора служит материал на основе оксида металла, чаще всего оксида цинка. Эти устройства широко применяются для защиты цепей от перенапряжения и импульсных воздействий.
Работа варистора основана на нелинейной зависимости сопротивления от напряжения: при низком напряжении его сопротивление велико, а при превышении порогового значения сопротивление резко падает, позволяя устройству эффективно рассеивать избыточную энергию. Основные параметры варисторов включают номинальное напряжение, максимальное рабочее напряжение, максимальный ток, энергию импульса, емкость и время отклика.
Варисторы характеризуются высокой скоростью срабатывания (менее 25 наносекунд), компактными размерами и способностью рассеивать значительное количество энергии. Однако их использование сопряжено с постепенной деградацией при частых импульсах перенапряжения и нелинейными характеристиками.
Эти устройства находят применение в бытовой электронике, промышленном оборудовании и энергетических системах, обеспечивая защиту от кратковременных скачков напряжения.
