Варистор

Принцип действия варисторов

В обычном состоянии варистор имеет очень большое сопротивление (по разным источникам от сотен миллионов Ом до миллиардов Ом). Он почти не пропускает через себя ток. Стоит напряжению превысить допустимое значение, как прибор теряет свое сопротивление в тысячи, а то и в миллионы раз. После нормализации напряжения его сопротивление восстанавливается.

Если варистор подключить параллельно электроприбору, то при скачке напряжения вся нагрузка придется на него, а приборы останутся в безопасности.

Принцип работы варистора, если объяснять на пальцах, сводится к следующему. При скачке в электрической сети он выполняет роль клапана, пропуская через себя электрический ток в таком объеме, чтобы снизить потенциал до необходимого уровня. После того как напряжение стабилизируется этот «клапан» закрывается и наша электросхема продолжает работать в штатном расписании. В этом и состоит назначение варистора.

Продукция

  • Поиск продукции
  • Новая продукция
  • Регулирующая арматура для радиаторов
    • Ручные клапаны
    • Термостатические клапаны
    • Клапаны с увеличенным проходом
    • Клапаны с предварительной регулировкой
    • Динамические термостатические клапаны
    • Отсечные клапаны
    • Термостатические головки
    • Беспроводная система — Klimadomotic
    • Kомплекты для отопительных приборов
    • Kлапаны хромированные с глянцевым покрытием
    • Клапаны нижнего подключения для двухтрубных систем
    • Клапаны нижнего подключения для однотрубных систем
    • Зонды
    • Клапаны для стальных панельных радиаторов
    • Аксессуары для радиаторов
    • Комплектующие для радиаторных клапанов
  • Коллекторы и коллекторные сборки
    • Распределительные коллекторы для отопления
    • Модульные коллекторы для отопления
    • Коллекторные узлы для отопления
    • Электротермические головки и термостатические головки с выносными датчиками темпратуры
    • Шкафы и кронштейны для коллекторов
    • Конечные элементы и аксессуары для коллекторов
    • Коллекторы для водоснабжения
    • Сборные и модульные коллекторы для водоснабжения
    • Шкафы и кронштейны для коллекторов
    • Запасные части коллекторов
  • Шаровые краны
    • Шаровые краны для отопления и водоснабжения
    • Краны для водоснабжения
    • Шаровые краны для газа
    • Краны шаровые с фланцевым соединением
    • Краны с пресс-соединением
    • Дренажные краны
    • Краны хозяйственные
    • Аксессуары и запасные части
  • Трубы и фитинги
    • Mеталлополимерные и полимерные трубы
    • Фитинги резьбовые компрессионные для многослойных и полимерных труб
    • Пресс-фитинги для многослойных и полимерных труб
    • Aдаптеры для полимерных и медных труб – фитинги для адаптеров
    • Фитинги для металлической трубы
    • Cгоны, ниппели, переходники
    • Система GX
    • Cистема Giacoqest
    • Комплектующие и инструменты
  • Арматура гидравлической балансировки
    • Балансировочные клапаны
    • Редукторы давления и смесительные клапаны для водоснабжения
  • Оборудование для котельных и тепловых пунктов
    • Фильтры и обратные клапаны
    • Воздухоотводные клапаны
    • Арматура котельных и тепловых пунктов
    • Задвижки
    • Затворы поворотные
    • Арматура для твердотопливных котлов
    • Группы быстрого монтажа для котельных
    • Комплектующие для групп быстрого монтажа
    • Смесительные и зональные клапаны
    • Арматура для дизельного топлива
    • Оборудование для солнечных систем
    • Узлы ГВС
    • Комплектующие для солнечных систем
  • Системы панельного отопления, охлаждения, автоматика терморегулирования
    • Компоненты системы напольного отопления
    • Система напольного отопления без бетонной стяжки
    • Терморегулирующая автоматика — Klimadomotic
    • Терморегулирующая автоматика прямого действия
    • Терморегулирующая автоматика — KLIMAbus
    • Беспроводная автоматика Klimadomotic
    • Осушители воздуха
    • Универсальные котельные блоки
  • Системы учета тепловой энергии и воды
    • Hепрямое измерение (распределители затрат)
    • Приборы прямого учета тепла и воды
    • Модули для удаленнной диспетчеризации M-BUS
    • Модули для беспроводной диспетчеризации
    • Коллекторные узлы для поквартирного учета
    • Узлы ввода
    • Малые тепловые пункты
    • Блоки в сборе для индивидуального учета
    • Комплектующие систем учета (шкафы, шаблоны, теплоизоляция)
  • Скачать

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

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.

Статическое сопротивление варистора

При нормальной работе, варистор имеет очень высокое сопротивление, поэтому его работа схожа с работой стабилитрона. Однако, когда на варисторе напряжение превышает номинальное значение, его эффективное сопротивление сильно уменьшается, как показано на рисунке выше.

Мы знаем из закона Ома, что ток и напряжение имеют прямую зависимость при постоянном сопротивлении. Отсюда следует, что ток прямо пропорционален разности потенциалов на концах резистора.

Но ВАХ (вольт-амперная характеристика) варистора не является прямолинейной, поэтому в результате небольшого изменения напряжения происходит значительное изменение тока. Ниже приведена кривая зависимости тока от напряжения для типичного варистора:

Мы можем видеть сверху, что варистор имеет симметричную двунаправленную характеристику, то есть варистор работает в обоих направлениях (квадрант Ι и ΙΙΙ) синусоиды, подобно работе стабилитрона. Когда нет всплесков напряжения, в квадранте IV наблюдается постоянное значение тока, это ток утечки, составляющий всего несколько мкА, протекающий через варистор.

Из-за своего высокого сопротивления, варистор не оказывает влияние на цепь питания, пока напряжение находится на номинальном уровне. Номинальный уровень напряжения (классификационное напряжение) — это такое напряжение, которое необходимо приложить на выводы варистора, чтобы через него проходил ток в 1 мА. В свою очередь величина этого напряжения будет отличаться в зависимости от материала, из которого изготовлен варистор.

При превышении классификационного уровня напряжения, варистор совершает переход от изолирующего состояния в электропроводящее состояние. Когда импульсное напряжение, поступающее на варистор, становится больше, чем номинальное значение, его сопротивление резко снижается за счет лавинного эффекта в полупроводниковом материале. При этом малый ток утечки, протекающий через варистор, быстро возрастает, но в тоже время напряжение на нем остается на уровне чуть выше напряжения самого варистора. Другими словами, варистор стабилизирует напряжение на самом себе путем пропускания через себя повышенного значения тока, которое может достигать не одну сотню ампер.

Это интересно: 4 и 5 группа допуска по электробезопасности — излагаем все нюансы

Варисторы 07К…20К

Варистор серии 07K, 10K, 14K, 20K – оксидно-цинковый защитный элемент, обладающий способностью мгновенного 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.

Принцип работы варистора заключается в его способности в считанные наносекунды (до 25 нс) понижать собственное сопротивление до отметки в несколько Ом при воздействии напряжения, превышающего номинальное значение – напряжения срабатывания, ток срабатывания при этом может достигать 100А.

В обычном состоянии сопротивление варистора достигает нескольких сотен МОм, а поскольку подключают варисторы параллельно цепи, то ток через него не проходит и он выступает в роли диэлектрика. Импульсный скачок приводит варистор в действие, понижая его сопротивление – происходит короткое замыкание и перегорает плавкий предохранитель, который должен устанавливаться в обязательном порядке перед варистором, и цепь размыкается.

В момент срабатывания происходит шунтирование излишней нагрузки, поглощаемая энергия (до 282 Дж при импульсе тока 2,5 мс) рассеивается в виде теплового излучения. Габаритные размеры варистора при этом играют значительную роль – общая площадь поверхности варистора имеет пропорциональное влияние на возможность гашения импульса напряжения без разрушения самого устройства.

Варисторы серии 07K, 10K, 14K, 20K имеют форму диска (дисковые варисторы) различной толщины с однонаправленными проволочными выводами радиального типа. Изготавливаются представленные варисторы методом прессования порошкообразного оксида цинка (ZnO).

На корпусе варисторов нанесена маркировка с указанием номинального классификационного напряжения и соответствующего допуска по напряжению (±10%). На образцах варисторов импортного производства при маркировке допуска используют символьное обозначение, например, буква K обозначает допуск ±10%, буква M – допуск ±20%.

Устанавливаются варисторы параллельно защищаемому устройству с помощью пайки выводов. Для достижения максимального уровня защиты рекомендуется использование двух одинаковых варисторов, подключенных параллельно друг другу, и дополнительного плавкого предохранителя, устанавливаемого последовательно перед варисторами.

Применяются предоставленные варисторы 07K, 10K, 14K, 20K для защиты элементов от перенапряжения в источниках и системах электропитания, бытовой и военной технике, телекоммуникационном и измерительном оборудовании.

Подробные характеристики, расшифровка маркировки, габаритные размеры, общее устройство варисторов 07K, 10K, 14K, 20K указаны ниже. Наша компания гарантирует качество и работу варисторов в течение 2 лет с момента их приобретения; предоставляются сертификаты качества.

Применение варисторов в схемах защиты

Исходя из свойств элемента, логично применять его в цепях обхода основной электросхемы. При повышении питающего напряжения, варистор выступит в роли своеобразного шунта.

При импульсном (несколько миллисекунд) скачке напряжения, основной ток пройдет в обход схемы. При восстановлении параметров – электропитание цепи мгновенно возобновится.

Простейший пример – варистор подключается параллельно питанию в удлинителе с защитой. При скачке напряжения, элемент фактически формирует короткое замыкание, и срабатывает защитный автомат. Чаще всего в подобных схемах применяются варисторы типа TVR 14561.

ВАХ, схема замещения и параметры варисторов

Обычно ВАХ варисторов в документации изображают в логарифмическом масштабе (рисунок 4). При этом на ней можно отметить три характерных области: область токов утечки, область нормальной работы и критическая область. В области токов утечки характеристика имеет линейный вид, а изменение напряжения в широких пределах слабо влияет на величину тока. В области нормальной работы происходит открытие варистора: даже незначительное увеличение напряжения приводит к изменению тока на несколько порядков. Критическая область характеризует работу варистора на пределе его возможностей.

Рис. 4. ВАХ варистора в логарифмическом масштабе

Для того чтобы воспроизвести ВАХ варистора, можно использовать упрощенную схему замещения (рисунок 5). Roff имеет большое сопротивление (сотни МОм) и характеризует сопротивление варистора в режиме малых токов (область токов утечки). Roff достаточно сильно зависит от температуры, поэтому в этой области также явно проявляется температурная зависимость тока утечки. Rx – переменное нелинейное сопротивление с диапазоном значений 0…∞ Ом. В режиме малых токов величиной Rx можно пренебречь, зато в режиме ограничения это сопротивление шунтирует Roff и, по сути, определяет сопротивление варистора. Сопротивление Ron характеризует сопротивление варистора при максимальных токах в критических режимах работы. Индуктивность L характеризует паразитную индуктивность выводов. Паразитная емкость С наравне с паразитной индуктивностью определяет динамические свойства варисторов.

Рис. 5. Эквивалентная схема замещения варистора

Собственные динамические свойства варистора оказываются замечательными. Например, на рисунке 6 представлены диаграммы импульса напряжения на нагрузке без варистора и с параллельно включенным варистором. Скорость срабатывания варистора столь высока, что он практически без задержки реагирует на перенапряжение фронтом всего 500 пс. К сожалению, в данном случае в качестве варистора выступает пластина ZnO, подключенная напрямую к коаксиальной линии. В реальности выводные варисторы имеют огромную паразитную индуктивность, которая практически полностью сводит на нет реальное быстродействие ZnO.

Рис. 6. Собственное быстродействие варистора очень высоко

Паразитная индуктивность вносит задержку, которая выражается в небольшом начальном перенапряжении. Чем выше скорость нарастания импульса, тем выше перенапряжение. На рисунке 7 демонстрируется увеличение напряжения включения варистора при увеличении скорости нарастания импульса.

Рис. 7. Напряжение включения варистора зависит от формы импульса

Варисторы имеют значительную паразитную емкость, которая негативно влияет на работу быстродействующих цепей. Это одна из причин, по которой варисторы не используют для защиты сигнальных линий высокочастотных интерфейсов. Очевидно, что чем больше диаметр диска варистора, тем больше будет его паразитная емкость.

Еще одним важным параметром варисторов является ток утечки. Во многих приложениях, например, в измерительных схемах, высокий ток утечки может существенно ухудшить метрологические характеристики. Кроме того, ток утечки негативно сказывается на общем потреблении схемы, что критично для малопотребляющих устройств.

При выборе варисторов необходимо учитывать различные температурные зависимости. Мы уже отмечали, что в области токов утечки наблюдается сильная зависимость сопротивления варистора от температуры. Кроме того, следует помнить о дерейтинге – уменьшении предельной рассеиваемой мощности при увеличении температуры окружающей среды (рисунок 8).

Рис. 8. Снижение предельной рассеиваемой мощности при увеличении температуры (дерейтинг)

Одним из крупнейших производителей варисторов является компания Littelfuse. Рассмотрим номенклатуру варисторов производства этой компании подробнее.

Как проверить варистор?

Первым делом производится осмотр варистора на плате, ищем наличие на нем сколов и трещин, почернения, следов нагара. При выявлении внешних дефектов варистор необходимо заменить, можно на некоторое время его выпаять из основной платы, схема будет работать и без него. Но в таком случае необходимо помнить, что при всплеске напряжения будут выходить из строя уже другие компоненты схемы и это повлечет за собой более дорогой ремонт.

Если внешний осмотр дефектов не выявил, в таком случае необходима проверка варистора мультиметром.

Наглядно покажем, как проверить варистор k275 мультиметром.

Тестер переключаем в режим измерения максимального сопротивления. В нашем случае сопротивление варистора значительно больше, чем диапазон измерения мультиметра. На этом проверка варистора тестером окончена.

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.

Применение в быту

Назначение варисторов — защита цепи при импульсах и перенапряжениях на линии. Это свойство позволило рассматриваемым элементам найти свое применение в качестве защиты:

  • линий связи;
  • информационных входов электронных устройств;
  • силовых цепей.

В большинстве дешевых блоков питания не устанавливают никаких защит. А вот в хороших моделях по входу устанавливают варисторы.

Кроме того, все знают, что компьютер нужно подключать к питанию через специальный удлинитель с кнопкой — сетевой фильтр. Он не только фильтрует помехи, в схемах нормальных фильтров также устанавливают варисторы.

Чтобы защитить всю квартиру — вы можете установить варистор на дин-рейку, в хороших устройствах в корпусе расположены настоящие мощные варисторы диаметром с кулак. Примером такого устройства является ОИН-1, который изображен на фото ниже:

Напоследок рекомендуем просмотреть полезные видео по теме статьи:

Наверняка вы не знаете:

  • Какие бывают помехи в электросети
  • Принцип работы УЗИП
  • Как сделать сетевой фильтр своими руками
  • Как проверить резистор в домашних условиях

Ремонт и диагностика неисправностей радиоэлектронных устройств происходит путём нахождения вышедших из строя элементов с последующей их заменой. Визуально определить, какая радиодеталь неисправна, часто не представляется возможным, поэтому для выявления поломок используют измерительные приборы — тестеры. С их помощью проверить варистор обычно не составляет труда.

Применение варистора

Варисторы применяются в большинстве бытовой электроники по всему миру. Их можно встретить практически в любой электронике. Они есть и в автомобильной электронике, в сотовой технике и бытовой, сетевых фильтрах и компьютерном железе.
Кстати говоря, хороший блок питания, от китайского отличается наличием варистора у первого. Поэтому, хороший блок питания куда более живуч и ремонтопригоден.

Варистор в блоке питания

Умельцы, при сборе своих подделок из светодиодных ламп также используют варисторы. А особые умельцы умудряются размещать их в розетках и вилках. Что только не придумаешь для обеспечения защиты своей электроники, если в доме проблема со скачками напряжения.
Сфера их применения обширна. Это могут быть и установки с напряжением 20кВ и с напряжением в 3В. Это может быть сеть с переменным током, а может быть и с постоянным. Воистину, варисторы можно встретить практически везде.

Так какие же варистор характеристики имеет?

Как правило, для описания варистора используют вот такие параметры:

Максимальная энергия в Джоулях, которую может поглотить варистор за один импульс. Обозначается W.
Максимальное значение импульсного тока, при 8/20мс. Обозначается как Iрр.
Среднее квадратичное значение переменного напряжения в цепи. Обозначается как Um.
Предельное напряжение при постоянном токе. Обозначается как Um=.
Для приблизительных расчетов рабочего напряжения советуем использовать значение Un не больше 0,6 с переменным током и 0,8 с постоянным.

В сетях 220В используют варисторы с минимальным классификационным напряжением (Un) от 380 до 430 В.
Не следует забывать и о емкости варистора при подборе. Как правило, она зависит от размера варистора. Так, варистор TVR 20 431 имеет емкость 900пФ, а TVR 05 431 – 80 пФ. Эти величины всегда можно подглядеть в справочном материале.

На схемах варистор обозначается следующим образом

RU – это обозначение самого варистора. Цифра рядом с RU – номер по порядку. То есть, какое это по счету варистор в цепи. Буква U снизу слева у косой, проходящей через варистор, означает, что данный элемент имеет способность менять напряжение. Также, зачастую на схемах указывается маркировка варистора. О маркировке и её расшифровке мы поговорим ниже.

Так обозначают варистор на схемах

Достоинства и недостатки

Для использования варистора следует ознакомиться с его положительными и отрицательными сторонами, поскольку от этого зависит защита электроники. К положительным качествам следует отнести следующие:

  1. Высокое время срабатывания.
  2. Отслеживание перепадов при помощи безинерционного метода.
  3. Широкий диапазон напряжений: от 12 В до 1,8 кВ.
  4. Длительный срок службы.
  5. Низкая стоимость.

У варистора, кроме его достоинств, существуют серьезные недостатки, на которые следует обратить внимание при разработке какого-либо устройства. К ним относятся:

  1. Большая емкость.
  2. Не рассеивают мощность при максимальном значении напряжения.

Емкость полупроводникового прибора находится в пределах от 70 до 3200 пФ и, следовательно, существенно влияет на работу схемы. Эта величина зависит от конструкции и типа прибора, а также от напряжения. Однако в некоторых случаях этот недостаток является достоинством при использовании его в фильтрах. Значение большей емкости ограничивает величину напряжения.

При максимальных значениях напряжения для рассеивания мощности следует применять варисторы-разрядники, поскольку обыкновенный полупроводниковый прибор перегреется и выйдет из строя. Каждому радиолюбителю следует знать алгоритм проверки варистора, поскольку при обращении в сервисные центры существует вероятность заплатить за ремонт больше, чем он стоит в действительности.

Основные параметры и маркировка варисторов

Данный тип полупроводниковых приборов выпускается в двух разновидностях. Низковольтные варисторы срабатывают на напряжение в диапазоне от 3 до 200 Вольт, они применяются в бытовой аппаратуре. Высоковольтные способны реагировать на напряжение до 20 000 Вольт и используются в промышленности.

По маркировке прибора можно понять не только его назначение (и отличить от конденсатора), но и получить представление об основных характеристиках.

Например, варистор с надписью 20d421k имеет диаметр 20 миллиметров, пороговое напряжение открытия в 420 Вольт, а буква k обозначает допустимое отклонение данного напряжения, равное 10 %. То есть этот прибор может сработать уже при подаче 378 Вольт на его контакты (420 – 42).

На электрических схемах варистор обозначается аббревиатурой znrX, где X – количество приборов на данном участке схемы.