Варистор
Все, кто сталкивался с радиоэлектронной аппаратурой, наверняка обратили внимание, что название большинства электронных компонентов заканчивается на «стор». Резистор, транзистор, тиристор, стабистор.
Рассмотрим ещё один компонент электронных схем. Он называется варистор и представляет собой резистор, сопротивление которого меняется в зависимости от величины подаваемого напряжения.
Varistor (Variable Resistor) так и переводится – изменяющееся сопротивление. А вот так варистор обозначается на принципиальных схемах.
Английская буква U рядом с наклонной чертой указывает на то, что сопротивление электронного компонента зависит от напряжения. На схемах варистор обычно маркируется двумя буквами RU, а после них ставиться порядковый номер варистора в схеме (1, 2, 3. ).
Варистор является полупроводниковым прибором, изготовленным из порошка карбида кремния (SiC) или окиси цинка (ZnO) методом прессования. У варистора симметричная и нелинейная вольт-амперная характеристика, поэтому он может применяться в цепях постоянного и переменного тока. Варисторы обладают крайне полезным для электрических цепей качеством. Они способны резко менять своё сопротивление при превышении напряжением определённого порога срабатывания.
В случае возникновения импульса напряжения способного вывести из строя электронное устройство, варистор практически мгновенно изменяет своё сопротивление от сотен МОм до десятков Ом, то есть закорачивает цепь питания, поэтому перед варистором всегда ставится обычный плавкий предохранитель.
Раньше для таких защитных целей ставились газонаполненные разрядники, но их быстродействие и надёжность не идут ни в какое сравнение с параметрами варисторов. Например, дисковый варистор без выводов и впаиваемый непосредственно в печатную плату имеет время срабатывания не превышающее нескольких наносекунд.
Варистор подключается параллельно цепи питания. При отсутствии опасных импульсов напряжения ток, протекающий через него, имеет небольшую величину и варистор не влияет на работу схемы, так как по сути является диэлектриком.
Если возник импульс перенапряжения, варистор из-за нелинейности характеристики уменьшает своё сопротивление практически до нуля. Нагрузка шунтируется, а поглощённая энергия рассеивается в виде тепла. Варистор не обладает инерцией, поэтому после «срезания» импульса он мгновенно снова приобретает очень большое сопротивление.
Если импульс перенапряжения был слишком большой и мощный, то варистор выходит из строя. Порой его корпус трескается, а то и вообще раскалывается на несколько частей.
Бывает, что варистор очень выручает при неполадках в электросети, так как принимает высоковольтный импульс на себя и способствует скорейшему разрыву цепи. При этом основная часть схемы остаётся невредимой. На фото блок питания от проектора, который вышел из строя после скачка напряжения в электросети 220V.
После замены плавкого предохранителя работа проектора была полностью восстановлена. Никакого сложного ремонта, кроме замены предохранителя и самого варистора не потребовалось. Вот так одна небольшая деталь может спасти дорогостоящий прибор.
Параметры варисторов.
Основные параметры варисторов:
Классификационное напряжение варистора (Varistor Voltage). Это величина напряжения, при котором через варистор протекает ток величиной 1 mA. Этот параметр не является рабочим и скорее является условным. При подборе варистора следует обращать внимание на параметры, о которых речь пойдёт далее;
Максимально допустимое переменное напряжение (Maximum Allowable Voltage – ACrms). Для варисторов указывается среднеквадратичное значение переменного напряжения (rms). Это величина переменного напряжения, при котором варистор «срабатывает» и начинает пропускать через себя ток, выполняя свои защитные функции;
Максимально допустимое постоянное напряжение (Maximum Allowable Voltage – DC). Тоже, что и максимально допустимое переменное напряжение но для постоянного тока. Как правило, величина этого параметра больше, чем для переменного тока. Указывается также в вольтах (V);
Максимальное напряжение ограничения (Maximum Clamping Voltage). Это максимальное напряжение, которое способен выдержать варистор без повреждения. Как правило оговаривается для конкретной величины протекающего через варистор тока. При превышении напряжения ограничения варистор выходит из строя. Корпус варистора при этом растрескивается надвое или вовсе разлетается на куски.
Максимальная поглощаемая энергия в джоулях (Дж). Это величина максимальной энергии импульса, которую может рассеять варистор в виде тепла без угрозы разрушения самого варистора;
Время срабатывания — время, за которое варистор переходит из высокоомного состояния в низкоомное при превышении максимально допустимого напряжения. Для широко распространённых варисторов это значение составляет несколько десятков наносекунд (нс). Например, 25 нс.
Допустимое отклонение (Varistor Voltage Tolerance) – допустимое отклонение квалификационного напряжения варистора. Указывается в процентах – %. Может быть ±5%, ±10%, ±20% и т.д. В маркировке импортных варисторов значение допуска зашифровывается в маркировку варистора буквой. Например, для варисторов фирмы Joyin принято такое обозначение: K – ±10%, L – ±15%, M – ±20%, P – ±25%. Таким образом, для варистора типа JVR-07N391K – отклонение составляет не более ±10%.
При подборе варисторов для электронных схем лучше обращаться к справочному листку (даташиту) на конкретный варистор. Это будет более разумным решением, так как на корпус импортных варисторов наноситься только величина квалификационного напряжения, по которому достаточно сложно судить о параметрах защитного элемента.
Применение варисторов.
Для обычной сети 220 вольт устанавливают защитные варисторы с напряжением срабатывания 275 – 420 вольт. Вот пример надёжно защищённого сетевого фильтра.
Этот сетевой фильтр защищают три варистора. То есть надёжно блокируется проникновение импульса не только по фазовой цепи, но и по цепи нуля. Варистор RU1 стоит между фазой и нулевым проводником. Он осуществляет основную защиту. Два других RU2 и RU3 подключаются между фазой и землёй и между нулём и землёй. Очень часто бывает ситуация когда на целой улице у всех пользователей вышла из строя вся электронная бытовая аппаратура. О таких случаях были даже телепередачи, когда тысячи человек не могли разобраться на кого писать заявление в суд.
А всё дело в том, что на линии электроснабжения, питающей допустим улицу или микрорайон, вместо фазы и нуля по обоим проводам пошла фаза. Это почти верная смерть для незащищённой бытовой аппаратуры. То есть между проводами N и PE, если всё нормально, напряжения быть не должно. В случае появления фазы на проводе N варистор RU2 благополучно зашунтирует защищаемый блок. Это один из примеров использования варисторов в цепях питания бытовой электронной аппаратуры.
Миниатюрные многослойные варисторы уже давно используются в схемах мобильных телефонов и защищают их от статического электричества. Так же варисторы используются для надёжной защиты компьютерных разъёмов и выводов микропроцессоров от той же статики. Варисторы активно применяются в автомобильной электронике и телекоммуникационном оборудовании.
Варисторы можно встретить во входных цепях блоков питания. Вот фото варистора 391KD14 на плате резервируемого блока питания.
А здесь варистор FNR-14K391 установлен в схему охранного прибора «Гранит» для защиты его блока питания от всплесков напряжения в электросети 220V.
Обнаружить варистор можно и на платах электронного балласта для люминесцентных ламп. На фото показан варистор MYG-10K471, установленный в схему электронного пуско-регулирующего аппарата (ЭПРА) для четырёх линейных люминесцентных ламп. На плате он обозначен как RU.
Варисторы для защиты бытовой электроники обычно выпускаются в виде диска с двумя выводами. Чем больше диаметр диска, тем более мощный импульс напряжения способен погасить варистор. Мощность импульса или энергию, которую способен «погасить» варистор обычно измеряют в джоулях (Дж).
Вот, например, несколько варисторов. Значение диаметра варистора в миллиметрах, как правило, вводится в маркировку самого варистора, например, JVR-07N391K (диаметр – 7 мм.).
Диаметр самого большого варистора типа MYG-14K391, изображённого на фотографии – 14 мм. (
70 Дж), чуть поменьше варистор MYG-10K471 – 10 мм. (
45 Дж), а маленького JVR-07N391K – 7 мм. (
В скобках указана величина энергии поглощения в джоулях (Дж). Как видим, варистор, обладающий самым большим диаметром в 14 мм. способен погасить энергию опасного импульса в 70 джоулей, в то время как самый маленький варистор диаметром 7 мм. способен погасить всего лишь 30 джоулей. Таким образом, по величине диаметра варистора можно косвенно судить о его максимальной энергии поглощения. Понятно, что в электронные схемы предпочтительнее устанавливать варисторы, рассчитанные на большую энергию поглощения. Также рекомендуется устанавливать в схему по два одинаковых варистора, включенных параллельно.
Также существуют варисторы и для SMD монтажа. По внешнему виду они напоминают SMD диоды и поэтому их достаточно сложно отличить.
К варисторам отечественного производства относятся изделия марки СН2-1А, СН1-2-1, ВР-4В и др.
Конечно, у варисторов имеются недостатки, но они не столь значительны по сравнению с газоразрядными приборами. Прежде всего, варисторы обладают довольно большими шумами на низкой частоте, а также меняют свои параметры со временем и от воздействия температуры.
Стоит заметить, что среди защитных компонентов кроме варистора существует ещё один электронный компонент – супрессор. Это так называемый защитный диод или трансил. По своим функциям (но не устройству!) он чем-то похож на варистор, но обладает большим быстродействием и, как правило, используется в низковольтных цепях.
Кроме маломощных варисторов, которые применяются для защиты бытовой аппаратуры, промышленность выпускает очень мощные варисторы на большие напряжения и токи. Они используются на трансформаторных подстанциях и всегда включаются в системы грозозащиты.
При установке варисторов в самодельные конструкции следует иметь в виду, что иногда, при возникновении критических условий варисторы могут «взрываться» и чтобы предохранить монтаж и другие радиоэлектронные компоненты от последствий такого «взрыва» их стараются помещать в защитные экраны. Если сравнивать варисторы из карбида кремния и оксида цинка то, по мнению специалистов, вторые предпочтительнее.
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:
- Высоковольтные: способные работать в цепях со значениями тока до 20 кВ (используются в защитных системах сетей и оборудования, в устройства защиты от импульсных перенапряжений).
- 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:
Импортные варисторы — обозначения, характеристики, применение
Варисторы применяются практически во всех электронных устройствах.
Варистор является полупроводниковым резистором, уменьшающим величину своего сопротивления при увеличении напряжения.
Varistor (Variable Resistor) так и переводится – изменяющееся сопротивление. На схемах варистор обозначается, как обычный резистор, но с добавлением буквы U (RU или VA) рядом с наклонной чертой.
В обычном состоянии он обладает высоким сопротивлением, но при превышении номинального значения напряжения сопротивление резко падает. Варистор так работает в режиме стабилитрона. Поэтому варисторы часто ставят для защиты радиоаппаратуры.
В случае возникновения перенапряжения, способного вывести из строя электронное устройство, варистор практически мгновенно изменяет своё сопротивление от сотен МОм до десятков Ом, то есть закорачивает цепь питания. Перед варистором всегда ставится обычный плавкий предохранитель и при наступлении такого случая последний сгорает, разрывая цепь питания.
При замене плавкого предохранителя, также нужно проверить и если нужно заменить варистор. Очень часто, что с выходом из строя предохранителя сгорает варистор. Если не заменить варистор, то при следующем повышением напряжения Вы можете «попасть» на дорогостоящий ремонт, чем варистор и предохранитель.
Расшифровка надписи на варисторе
Среди отечественных наиболее распространенным является К275, а среди импортных — 7n471k, 14d471k, kl472m и ac472m. Наибольшей популярностью пользуется варистор, маркировка которого — CNR (бывают еще hel, vdr, jvr, nvr…). Кроме того, к ней прикрепляется цифробуквенный индекс 14d471k, и расшифровывается этот вид обозначения следующим образом:
- CNR — металлооксидный тип.
- 14 — диаметр прибора, равный 14 мм.
- D — радиокомпонент в форме диска.
- 471 — максимальное значение напряжения, на которое он рассчитан.
- К — допустимое отклонения классификационного напряжения, равное 10%.
Параметры варисторов
Основные параметры варисторов:
- Классификационное напряжение варистора (Varistor Voltage). Это величина напряжения, при котором через варистор протекает ток величиной 1 mA. Этот параметр не является рабочим и скорее является условным. При подборе варистора следует обращать внимание на параметры, о которых речь пойдёт далее;
- Максимально допустимое переменное напряжение (Maximum Allowable Voltage – ACrms). Для варисторов указывается среднеквадратичное значение переменного напряжения (rms). Это величина переменного напряжения, при котором варистор «срабатывает» и начинает пропускать через себя ток, выполняя свои защитные функции.
- Максимально допустимое постоянное напряжение (Maximum Allowable Voltage – DC). Тоже, что и максимально допустимое переменное напряжение но для постоянного тока. Как правило, величина этого параметра больше, чем для переменного тока. Указывается также в вольтах (V);
- Максимальное напряжение ограничения (Maximum Clamping Voltage). Это максимальное напряжение, которое способен выдержать варистор без повреждения. Как правило оговаривается для конкретной величины протекающего через варистор тока. При превышении напряжения ограничения варистор выходит из строя. Корпус варистора при этом растрескивается надвое или вовсе разлетается на куски.
- Максимальная поглощаемая энергия в джоулях (Дж). Это величина максимальной энергии импульса, которую может рассеять варистор в виде тепла без угрозы разрушения самого варистора;
- Время срабатывания — время, за которое варистор переходит из высокоомного состояния в низкоомное при превышении максимально допустимого напряжения. Для широко распространённых варисторов это значение составляет несколько десятков наносекунд (нс). Например, 25 нс.
- Допустимое отклонение (Varistor Voltage Tolerance) – допустимое отклонение квалификационного напряжения варистора. Указывается в процентах – %. Может быть ±5%, ±10%, ±20% и т.д. В маркировке импортных варисторов значение допуска зашифровывается в маркировку варистора буквой. Например, для варисторов фирмы Joyin принято такое обозначение: K – ±10%, L – ±15%, M – ±20%, P – ±25%. Таким образом, для варистора типа JVR-07N391K – отклонение составляет не более ±10%.
При подборе или замене варисторов нужно пользоваться справочной информацией (Datasheet) на конкретный варистор. Это будет правильней потому что, на корпус импортных варисторов наноситься только величина квалификационного напряжения, по которому достаточно сложно судить о его полных параметрах.
Характеристики варисторов
Варистор серии 07K, 10K, 14K, 20K – оксидно-цинковый защитный элемент, обладающий способностью мгновенного (до 25 нс) изменения собственного сопротивления под воздействием подаваемого напряжения. Характерные резко выраженные нелинейные и симметричные вольтамперные характеристики предоставляют возможность эксплуатации варисторов в цепях постоянного, переменного и импульсного тока.
Подробные характеристики, расшифровка маркировки, габаритные размеры, общее устройство варисторов 07K, 10K, 14K, 20K указаны ниже.
