Варистор. принцип работы и применение

Общие сведения

Варистор (varistor) является полупроводниковым резистором, уменьшающим величину своего сопротивления при увеличении напряжения. Условное графическое обозначение (УГО) представлено на рисунке 1, на котором изображена зависимость сопротивления радиокомпонента от величины напряжения. На схемах обозначается znr. Если их больше одного, то обозначается в следующем виде: znr1, znr2 и т. д.

Рисунок 1 — УГО варистора.

Многие начинающие радиолюбители путают переменный резистор и варистор. Принцип действия, основные характеристики и параметры этого элемента отличаются от переменного резистора. Кроме того, распространенной ошибкой составления электрических принципиальных схем является неверное его УГО. Варистор выглядит как конденсатор и распознается только по маркировке.

Параметры

Говоря про варистор, что это такое, нельзя обойти вниманием его характеристики, которые важны в работе:

Классификационное напряжение. Так называют величину, при которой ток в 1 мА протекает через устройство.
Максимальное допустимое переменное напряжение. Под этим понимается величина, при которой варистор срабатывает и начинает выполнять возложенные на него защитные функции.
Максимальное допустимое постоянное напряжение. То же, что и с предыдущим вариантом. Но в данном случае этот параметр касается работы с постоянным током.
Максимальное напряжение ограничения. Это величина, при которой варистор может работать без повреждений. Как правило, указывается отдельно для разных значений тока. Если превысить эту величину, то варистор треснет надвое или даже разлетится на куски.
Максимальная поглощаемая энергия. Указывается в джоулях. Является величиной максимальной энергии импульса, которая может быть рассеяна варистором в виде тепла без угрозы разрушить само устройство.
Время срабатывания. Это промежуток, за который устройство переходит из одного состояния в другое, если было превышено максимальное допустимое напряжение. Как правило, измеряется в десятках наносекунд.
Допустимое отклонение. Это величина, изменение на которую квалификационного напряжения варистора считается нормой. Всегда указывается в процентах. Как можно было понять из статьи ранее, данный параметр обозначается буквой в конце маркировки.

Плюсы использования варистора

Варистор – он как автомат калашникова. Прост, надежен, дешев. И распространен повсеместно. Он всегда сработает и не подведет. Область его применения огромна. Как мы выше писали от 20кВ до 3В. Ну и про время срабатывания забывать не стоит. 25нс у среднего варистора – весьма неплохо. А есть экземпляры, со скоростью срабатывания ниже 0,5 не.

Но, как и у всего в этом мире, у варистора есть и недостатки.
К таковым относится низкочастотных шум во время работы, большая емкость варистора (от 70 до 3000 пФ) и склонность материалов варистора к устареванию.
Плюсы варистора превалируют над минусами. Именно поэтому он получил столь широкое распространение. Как и автомат калашникова.

Применение приборов

Варисторы применяются для защиты электронных устройств от скачкообразного напряжения, амплитуда которого превышает номинальное значение питания. Благодаря применению в блоках питания полупроводникового резистора, появляется возможность избежать множества поломок, которые могут вывести электронику из строя. Широкое применение варистор получил и в схеме балласта, который применяется в элементах освещения.

В некоторых стабилизаторах величин напряжения и тока также используются специализированные полупроводниковые резисторы, а варисторы-разрядники с напряжением более 20 кВ применяются для стабилизации питания в линиях электропередач. Его можно подключить также и в схему проводки (схема 1), защитив ее от перегрузок и недопустимых амплитудных значений тока и напряжения. При перегрузке проводки происходит ее нагрев, который может привести к пожару.

Вам это будет интересно Математическая запись закона Джоуля-Ленца и его применение

Схема 1 — Подключение варистора для сети 220В.

Низковольтные варисторы работают в диапазоне напряжения от 3 В до 200 В с силой тока от 0,1 до 1 А. Они применяются в различной аппаратуре и ставятся преимущественно на входе или выходе источника питания. Время их срабатывания составляет менее 25 нс, однако этой величины для некоторых приборов недостаточно и в этом случае применяются дополнительные схемы защиты.

Однако технология их изготовления не стоит на месте, поскольку создала радиоэлемент с временем срабатывания менее 0,5 нс. Этот полупроводниковый резистор изготовлен по smd-технологии. Конструкции дискового исполнения обладают более высоким временем срабатывания. Многослойные варисторы (CN) являются надежной защитой от статического электричества, которое может вывести из строя различную электронику. Примером использования является производство мобильных телефонов, которые подвержены воздействию статических разрядов. Этот тип варисторов также получили широкое применение в области компьютерной технике, а также в высокочувствительной аппаратуре.

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.

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.

Назначение и характеристики

Изготавливаются такого типа резисторы путём спекания при высокой температуре полупроводника и связующего материала. В качестве полупроводника используется карбид кремния, находящийся в порошкообразном состоянии, или оксид цинка, а связующего вещества — стекло, лак, смола. Полученный после спекания элемент подвергается металлизации с дальнейшим формированием выводов. По своей конструкции приборы выполняются в форме, похожей на диск, таблетку, цилиндр, или плёночного вида.

Обладая свойством резко уменьшать своё сопротивление при возникновении на его выводах определённого напряжения, варистор применяется в электронных схемах в качестве защитного элемента. При возникновении броска напряжения определённой величины полупроводниковый прибор мгновенно снижает своё внутреннее сопротивление до десятков Ом, тем самым практически закорачивая цепь, не давая импульсу повредить остальные элементы схемы. Поэтому важным параметром варистора является значение напряжения, при котором наступает пробой устройства.

Принцип работы элемента подразумевает его включение параллельно цепи питания. После его срабатывания и уменьшения напряжения на входе он самовосстанавливается до первоначального значения. Из-за малой инерционности это происходит мгновенно.

Основные параметры

Перед тем как проверить варистор на исправность, необходимо понимать не только принцип его действия, но и знать, какими характеристиками он обладает. Как и любой электронный элемент, варистор имеет ряд характеристик, которые позволяют его использовать в различных схемах. Основным параметром является вольт-амперная характеристика (ВАХ). Она наглядно показывает, как меняется ток при той или иной величине напряжения. Изучая ВАХ, можно увидеть что варистор, обладая симметрично-двунаправленной характеристикой, работает как в прямой, так и обратной зоне синусоиды, напоминая стабилитрон.

Um — наибольшее допустимое рабочее напряжение для тока переменной или постоянной величины.
P — мощность, которую может рассеять на себе элемент без ухудшения своих параметров.
W — допустимая энергия в джоулях, которую может поглотить радиоэлемент при воздействии одиночного импульса.
Ipp — наибольшее значение импульсного тока, для которого определена форма импульса.
Co — ёмкость, значение которой измеряется у варистора в нормальном состоянии.

Но на практике особое внимание уделяется в основном параметру Um. Эта характеристика показывает уровень напряжения, при котором происходит пробой элемента и начинает течь ток

Виды устройств

Разнообразие встречаемых видов варисторов обусловлено тем, что производители стремятся в первую очередь повысить их быстродействие. Поэтому и используются SMD технологии безвыводного монтажа, что позволяет добиваться малого времени срабатывания при скачке входного напряжения. Типовое время срабатывания элементов с выводами находится в пределе 15−25 наносекунд, а SMD — 0,5 наносекунд.

Маркировка элементов

Независимо от производителя существует стандарт маркировки варисторов. На сам элемент принято наносить цифробуквенный код, в котором зашифровываются основные параметры. Например, для дискового типа это обозначение выглядит как S6K210, где:

S — материал, из которого изготовлен варистор;
6 — диаметр корпуса элемента, указывается в миллиметрах;
K — величина допуска отклонения;
210 — значение рабочего напряжения, выраженное в вольтах.

На схемах радиоэлемент графически обозначается как перечёркнутый прямоугольник. На перечёркивающей палочке делается полочка, над которой ставится буква U. Подписывается на схемах элемент латинскими буквами RU.

Как узнать год изготовления продукции Bosch, Siemens, Gaggenau — FD номер

FD — (Factory Date) — 8907 дата производства стиральной машины, стиральная машина изготовлена в Июле 2009 года. Bosch шифрует дату производства и её нужно расшифровывать так:

Как узнать, когда сделана стиральная машина Bosch, Siemens, расшифровка номера FD.

8 — шифр десятилетия, в данном случае, это означает, что стиральная машина произведена в период 2000-2009 годов.
- — 2020 — 2029
- 9 — 2010 — 2019
- 8 — 2000 — 2009
- 7 — 1990 — 1999
- 6 — 1980 — 1989
- 5 — 1970 — 1979
9 — год в десятилетии, это означает, стиральная машина произведена в 2009 году.
07 — месяц изготовления стиральной машины, обозначается двумя цифрами по порядковому номеру месяца в году, 07 стиральная машина произведена в июле месяце.

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

Литература

Metal-Oxide Varistors (MOVs). PRODUCT CATALOG & DESIGN GUIDE. Littelfuse.
Electronics Circuit Protection Product Selection Guide. Littelfuse.
Антон Стильве. Варистор варистору рознь: надежная защита от скачков напряжения.
Алексей Попов, Сергей Попов. Миниатюрное решение: варисторы Littelfuse для поверхностного монтажа.
Вячеслав Гавриков. Где и как применять защитные тиристоры SIDACtor от Littelfuse.
Вячеслав Гавриков. ESD-сборки для защиты промышленного и уличного Ethernet.
Вячеслав гавриков. USB, HDMI, Ethernet: низкоемкостные ESD-сборки для защиты высокоскоростных интерфейсов.
Александр Донцов. Защита систем светодиодного освещения от перегрузок.
Вячеслав Гавриков. Газоразрядники Littelfuse: там, где полупроводники бессильны.
https://www.littelfuse.com.

Справочник и маркировка варисторов

Если необходима замена, на помощь придет справочник варисторов. Для начала нам потребуется маркировка варистора, она находится на самом корпусе в виде латинских букв и цифр. Хотя этот элемент производится во многих странах, маркировка не имеет принципиальных отличий.

Разные изготовители и маркировка разная 14d471k и znr v14471u. Однако параметры одни и те же. Первые цифры «14» это диаметр в мм., второе число 471 — напряжение при котором происходит срабатывание (открытие). Отдельно про маркировку. Первые две цифры (47) это напряжение, следующая — коэффициент (1). Он показывает сколько нулей нужно ставить после числа 47, в этом случае 1. Получается что испытуемый прибор будет срабатывать при 470 В, плюс — минус погрешность, которая ставится рядом с этим числом. В нашем случае это буква «к» находится после и обозначает 10% т. е. 47 В.

Другая маркировка s10k275. Показатель погрешности стоит перед напряжением, само напряжение показано без коэффициента — 275 В. Из рассмотренных примеров видим, как можно определить маркировку: измеряем диаметр прибора, находим эти размеры на варисторе, другие цифры покажут напряжение. Если определить маркировку не удается, например, kl472m, нужно будет посмотреть в интернете.

Диаметр. Импортные tvr 10471 можно заменить на 10d471k, но быть осторожным с 7d471k, у последнего размер меньше. Чем больше значение, тем, грубо говоря, больше рассеиваемая мощность. Поставив прибор меньшего диаметра, рискуем его спалить. К примеру, серия 10d имеет рабочий ток 25А, а k1472m 50А.

Чтобы правильно выбрать нужный элемент необходимо учитывать не только напряжение питания. Производят множество расчетов, например, выходя из нужного быстродействия (срабатывания), или малое рабочее напряжение. В этом случае используют так называемые защитные диоды. К ним можно отнести bzw04

При его применении важно соблюдать полярность

Помехоустойчивость. Одним из недостатков является создание помех. Для борьбы с ними используют конденсаторы, например, ac472m Подключают параллельно варистору.

На схеме варистор обозначается как резистор, пустой прямоугольник с перечеркивающей под 45 градусов линией и имеет букву u.

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.

Принцип работы варистора

Варисторы, Varistors (название образовано от двух слов Variable Resistors — изменяющиеся сопротивления) — это полупроводниковые (металлооксидные или оксидноцинковые) резисторы, обладающие свойством резко уменьшать свое сопротивление с 1000 МОм до десятков Ом при увеличении на них напряжения выше пороговой величины.

В этом случае сопротивление становится тем меньше, чем больше действует напряжение. Типичная вольт-амперная характеристика варистора имеет резко выраженную нелинейную симметричную форму (рисунок 1), то есть он может работать и на переменном напряжении.

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика варистора.

Варисторы подсоединяют параллельно нагрузке, и при броске входного напряжения основной ток помехи протекает через них, а не через аппаратуру.

Таким образом, варисторы рассеивают энергию помехи в виде тепла. Так же, как и газоразрядник, варистор является элементом многократного действия, но значительно быстрее восстанавливает свое высокое сопротивление после снятия напряжения.

Достоинством варисторов, по сравнению с газоразрядниками, являются:

большее быстродействие;
безынерционное отслеживание перепадов напряжений;
выпускаются на более широкий диапазон рабочих напряжений (от 12 до 1800 В); о длительный срок эксплуатации;
имеют более низкую стоимость.

Варисторы широко применяются в промышленном оборудовании и приборах бытового назначения:

для защиты полупроводниковых приборов: тиристоров, симисторов, транзисторов, диодов, стабилитронов;
для электростатической защиты входов радиоаппаратуры;
для защиты от электромагнитных всплесков в мощных индуктивных элементах;
как элемент искрогашения в электромоторах и переключателях.

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.