Вольт амперная характеристика варистора

Вари́стор (лат. vari(able) — переменный (resi)stor — резистор) — полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление (проводимость) которого нелинейно зависит от приложенного напряжения, то есть обладающий нелинейной симметричной вольт-амперной характеристикой и имеющий два вывода. Обладает свойством резко уменьшать своё сопротивление с миллиардов до десятков Ом при увеличении приложенного к нему напряжения выше пороговой величины [1] . При дальнейшем увеличении напряжения сопротивление уменьшается ещё сильнее. Благодаря отсутствию сопровождающих токов при скачкообразном изменении приложенного напряжения, варисторы являются основным элементом для производства устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).

Содержание

Изготовление [ править | править код ]

Изготавливают варисторы спеканием при температуре около 1700 °C полупроводника, преимущественно порошкообразного карбида кремния (SiC) или оксида цинка (ZnO), и связующего вещества (например, глина, жидкое стекло, лаки, смолы). Далее две поверхности полученного элемента металлизируют (обычно электроды имеют форму дисков) и припаивают к ним металлические проволочные выводы.

Конструктивно варисторы выполняются обычно в виде дисков, таблеток, стержней; существуют бусинковые и плёночные варисторы. Широкое распространение получили стержневые подстроечные варисторы с подвижным контактом.

Свойства [ править | править код ]

Нелинейность характеристик варисторов обусловлена локальным нагревом соприкасающихся граней многочисленных кристаллов карбида кремния (или иного полупроводника). При локальном повышении температуры на границах кристаллов сопротивление последних существенно снижается, что приводит к уменьшению общего сопротивления варисторов.

Один из основных параметров варистора — коэффициент нелинейности λ — определяется отношением его статического сопротивления R к динамическому сопротивлению R_d:

λ = R R d = U I : d U d I ≈ c o n s t <displaystyle lambda =<frac >>=<frac >:<frac >approx const> ,

где U — напряжение, I — ток варистора

Коэффициент нелинейности лежит в пределах 2-10 у варисторов на основе SiC и 20-100 у варисторов на основе ZnO.

Применение [ править | править код ]

Низковольтные варисторы изготавливают на рабочее напряжение от 3 до 200 В и ток от 0,0001 до 1 А; высоковольтные варисторы — на рабочее напряжение до 20 кВ.

Варисторы применяются для стабилизации и регулирования низкочастотных токов и напряжений, в аналоговых вычислителях — для возведения в степень, извлечения корней и других математических действий, в цепях защиты от перенапряжений (например, высоковольтные линии электропередачи, линии связи, электрические приборы) и др.

Высоковольтные варисторы применяются для изготовления ограничителей перенапряжения.

Как электронные компоненты, варисторы дёшевы и надёжны, способны выдерживать значительные электрические перегрузки, могут работать на высокой частоте (до 500 кГц). Среди недостатков — значительный низкочастотный шум и старение — изменение параметров со временем и при колебаниях температуры.

Материалы варисторов [ править | править код ]

Тирит, вилит, лэтин, силит — полупроводниковые материалы на основе карбида кремния с разными связками. Оксид цинка — новый материал для варисторов.

Параметры [ править | править код ]

При описании характеристик варисторов в основном используются следующие параметры [1] :

Классификационное напряжение U_n — напряжение при определённом токе (обычно 1 мА), условный параметр для маркировки изделий;
Максимально допустимое напряжение U_m для постоянного тока и для переменного тока (среднеквадратичное или действующее значение), диапазон — от нескольких В до нескольких десятков кВ; может быть превышено только при перенапряжениях;
Номинальная средняя рассеиваемая мощность P — мощность в ваттах (Вт), которую варистор может рассеивать в течение всего срока службы при сохранении параметров в заданных пределах;
Максимальный импульсный ток I_pp (Peak Surge Current) в амперах (А), для которого нормируется время нарастания и длительность импульса;
Максимальная допустимая поглощаемая энергия W (Absorption energy) в джоулях (Дж), при воздействии одиночного импульса;
Ёмкость C_o, измеренная в закрытом состоянии при заданной частоте; зависит от приложенного напряжения — когда варистор пропускает через себя большой ток, она падает до нуля.

Рабочее напряжение варистора выбирается исходя из допустимой энергии рассеяния и максимальной амплитуды напряжения. Рекомендуется, чтобы на переменном напряжении оно не превышало 0,6 U_n, а на постоянном — 0,85 U_n. Например, в сети с действующим напряжением 220 В (50 Гц) обычно устанавливают варисторы с классификационным напряжением не ниже 380…430 В.

В данной статье мы подробно разберем что такое варистор. Опишем принцип его работы и конструкцию, области применения, характеристики, а так же типы.

Описание и принцип работы

В отличие от плавкого предохранителя или автоматического выключателя, который обеспечивает защиту от перегрузки по току, варистор обеспечивает защиту от перенапряжения посредством фиксации напряжения аналогично стабилитрону. Купить варистор на Алиэкспресс:

Слово «варистор» представляет собой сочетание слов VARI-able resi-STOR, используемыми для описания их режима работы еще в первые дни развития, который является немного неверным, так как варистор не может вручную изменять как, например потенциометр или реостат.

Но в отличие от переменного резистора, значение сопротивления которого можно вручную изменять между его минимальным и максимальным значениями, варистор автоматически изменяет значение своего сопротивления при изменении напряжения на нем, что делает его нелинейным резистором, зависящим от напряжения, или сокращенно VDR.

В настоящее время резистивный корпус варистора изготовлен из полупроводникового материала, что делает его типом полупроводникового резистора с неомическими симметричными характеристиками напряжения и тока, подходящими как для переменного, так и для постоянного напряжения.

Во многих отношениях варистор по размеру и конструкции похож на конденсатор, и его часто путают с ним. Однако конденсатор не может подавить скачки напряжения так же, как варистор. Когда к цепи прикладывается скачок высокого напряжения, результат обычно катастрофичен для цепи, поэтому варистор играет важную роль в защите чувствительных электронных схем от пиков переключения и перенапряжений.

Переходные скачки происходят из множества электрических цепей и источников независимо от того, работают ли они от источника переменного или постоянного тока, поскольку они часто генерируются в самой цепи или передаются в цепь от внешних источников. Переходные процессы в цепи могут быстро возрастать, увеличивая напряжение до нескольких тысяч вольт, и именно эти скачки напряжения должны быть предотвращены в чувствительных электронных схемах и компонентах.

Одним из наиболее распространенных источников переходных напряжений является эффект L (di / dt), вызываемый переключением индуктивных катушек и намагничивающими токами трансформатора, приложениями переключения двигателей постоянного тока и скачками напряжения при включении цепей флуоресцентного освещения или других скачков напряжения питания.

Переходные формы волны переменного тока

Варисторы подключены в цепях через сеть питания либо между фазой и нейтралью, либо между фазами для работы от переменного тока, либо с положительного на отрицательный для работы от постоянного тока, и имеют номинальное напряжение, соответствующее их применению. Варистор также можно использовать для стабилизации напряжения постоянного тока и особенно для защиты электронных цепей от импульсов перенапряжения.

Варистор статического сопротивления

При нормальной работе варистор имеет очень высокое сопротивление, отсюда и его название, и работает аналогично стабилитрону, позволяя более низким пороговым напряжениям проходить без изменений.

Однако, когда напряжение на варисторе (любой полярности) превышает номинальное значение варисторов, его эффективное сопротивление сильно уменьшается с ростом напряжения, как показано выше.

Из закона Ома мы знаем, что вольт-амперные характеристики (IV) фиксированного резистора являются прямой линией при условии, что R поддерживается постоянным. Тогда ток прямо пропорционален разности потенциалов на концах резистора.

Но кривые IV варистора не являются прямой линией, так как небольшое изменение напряжения вызывает значительное изменение тока. Типичная нормализованная кривая зависимости напряжения от тока для стандартного варистора приведена ниже.

Кривая характеристик варистора

Из вышесказанного видно, что варистор обладает симметричными двунаправленными характеристиками, то есть варистор работает в обоих направлениях (квадрант Ι и ΙΙΙ) синусоидальной формы волны, действуя аналогично двум стабилитронам, подключенным вплотную. Если не проводящая, кривая IV показывает линейную зависимость, так как ток, протекающий через варистор, остается постоянным и низким только при нескольких микроамперах тока утечки. Это связано с его высоким сопротивлением, действующим в качестве разомкнутой цепи, и остается постоянным до тех пор, пока напряжение на варисторе (любой полярности) не достигнет определенного «номинального напряжения».

Это номинальное или зажимное напряжение — это напряжение на варисторе, измеренное с указанным постоянным током 1 мА. То есть уровень постоянного напряжения, приложенного к его клеммам, который позволяет току 1 мА течь через резистивный корпус варисторов, который сам зависит от материалов, используемых в его конструкции. На этом уровне напряжения варистор начинает переходить из своего изоляционного состояния в проводящее состояние.

Когда переходное напряжение на варисторе равно или превышает номинальное значение, сопротивление устройства внезапно становится очень малым, превращая варистор в проводник из-за лавинного эффекта его полупроводникового материала. Ток небольшой утечки, протекающий через варистор, быстро возрастает, но напряжение на нем ограничено уровнем чуть выше напряжения варистора.

Другими словами, варистор саморегулирует переходное напряжение через него, позволяя большему току течь через него, и из-за его крутой нелинейной кривой IV он может пропускать широко варьирующиеся токи в узком диапазоне напряжений, срезая любые скачки напряжения.

Значения емкостного сопротивления

Поскольку основная проводящая область варистора между двумя его выводами ведет себя как диэлектрик, ниже его напряжения зажима варистор действует как конденсатор, а не как резистор. Каждый полупроводниковый варистор имеет значение емкости, которое напрямую зависит от его площади и обратно пропорционально его толщине.

При использовании в цепях постоянного тока емкость варистора остается более или менее постоянной при условии, что приложенное напряжение не увеличивается выше уровня напряжения зажима и резко падает вблизи своего максимального номинального постоянного напряжения постоянного тока.

Однако в цепях переменного тока эта емкость может влиять на сопротивление корпуса устройства в области непроводящей утечки его характеристик IV. Поскольку они обычно соединены параллельно с электрическим устройством для защиты от перенапряжения, сопротивление утечки варисторов быстро падает с увеличением частоты.

Это соотношение приблизительно линейно с частотой, и полученное в результате параллельное сопротивление, его реактивное сопротивление переменного тока Xc может быть рассчитано с использованием обычного 1 / (2πƒC), как для обычного конденсатора. Затем, когда частота увеличивается, увеличивается и ток утечки.

Но наряду с варисторами на основе кремниевых полупроводников были разработаны варисторы на основе оксидов металлов, чтобы преодолеть некоторые ограничения, связанные с их кузенами из карбида кремния.

Металлооксидный варистор

Металл — оксид варистор или MOV для краткости, это резистор, зависящий от напряжения, в котором материал сопротивления представляет собой оксид металла, в первую очередь оксид цинка (ZnO), прессуют в керамики подобного материала. Металлооксидные варисторы состоят из приблизительно 90% оксида цинка в качестве керамического основного материала плюс другие наполнители для образования соединений между зернами оксида цинка.

Металлооксидные варисторы в настоящее время являются наиболее распространенным типом устройства ограничения напряжения и доступны для использования в широком диапазоне напряжений и токов. Использование металлического оксида в их конструкции означает, что MOV чрезвычайно эффективны в поглощении кратковременных переходных напряжений и имеют более высокие возможности обработки энергии.

Как и в случае обычного варистора, металлооксидный варистор запускает проводимость при определенном напряжении и прекращает проводимость, когда напряжение падает ниже порогового напряжения. Основное различие между стандартным варистором из карбида кремния (SiC) и варистором типа MOV состоит в том, что ток утечки через материал из оксида цинка MOV очень мал, а при нормальных условиях эксплуатации его скорость срабатывания при переходных процессах зажима намного выше.

MOV обычно имеют радиальные выводы и твердое внешнее синее или черное эпоксидное покрытие, которое очень похоже на дисковые керамические конденсаторы и может быть физически установлено на печатных платах. Конструкция типичного металлооксидного варистора имеет вид:

Конструкция металлического оксидного варистора

Чтобы выбрать правильное значение MOV для конкретного применения, желательно иметь некоторые знания об импедансе источника и возможной импульсной мощности переходных процессов. Для переходных процессов на входящей линии или фазе выбор правильного MOV немного сложнее, так как обычно характеристики источника питания неизвестны. В общем, выбор MOV для электрической защиты цепей от переходных процессов и скачков напряжения в сети часто не более чем обоснованное предположение.

Тем не менее, металлооксидные варисторы доступны в широком диапазоне напряжений варистора, от около 10 В до более 1000 В переменного или постоянного тока, поэтому выбор может быть полезен при знании напряжения питания. Например, при выборе MOV или кремниевого варистора в этом отношении его максимальное номинальное постоянное среднеквадратичное напряжение должно быть чуть выше максимального ожидаемого напряжения питания, скажем, 130 вольт среднеквадратичного значения для источника питания 120 вольт, и 260 вольт среднеквадратичного значения для напряжения 230 вольт.

Максимальное значение импульсного тока, которое будет принимать варистор, зависит от длительности переходного импульса и количества повторений импульсов. Можно предположить ширину переходного импульса, которая обычно составляет от 20 до 50 микросекунд (мкс). Если пиковый импульсный ток недостаточен, варистор может перегреться и повредиться. Таким образом, чтобы варистор работал без сбоев или ухудшений, он должен иметь возможность быстро рассеивать поглощенную энергию переходного импульса и безопасно вернуться в свое предимпульсное состояние.

Применение варистора на схеме

Варисторы имеют много преимуществ и могут использоваться во многих различных типах устройств для подавления переходных процессов в сети от бытовых приборов и освещения до промышленного оборудования на линиях электропередач переменного или постоянного тока. Варисторы могут быть подключены непосредственно к электросети и к полупроводниковым переключателям для защиты транзисторов, полевых МОП-транзисторов и тиристорных мостов.

Резюме варистора

В этой статье мы увидели, что основная функция резистора, зависимого от напряжения, или варистора, заключается в защите электронных устройств и электрических цепей от скачков напряжения, например, вызванных переходными процессами индуктивного переключения.

Поскольку такие варисторы используются в чувствительных электронных схемах, чтобы гарантировать, что, если напряжение внезапно превысит заранее определенное значение, варистор фактически станет коротким замыканием, чтобы защитить цепь, которую он шунтирует от чрезмерного напряжения, поскольку они способны выдерживать пиковые токи в сотни ампер.

Варисторы относятся к типу резисторов с нелинейной неомической характеристикой напряжения тока и являются надежным и экономичным средством защиты от переходных переключений и перенапряжений.

Они достигают этого, выступая в качестве блокирующего устройства с высоким сопротивлением при более низких напряжениях и как хорошее проводящее устройство с низким сопротивлением при более высоких напряжениях. Эффективность варистора в защите электрической или электронной схемы зависит от правильного выбора варистора в отношении рассеяния напряжения, тока и энергии.

Металлооксидные варисторы, или MOV, как правило, изготавливаются из материала металлического оксида цинка в форме небольшого диска. Они доступны во многих значениях для определенных диапазонов напряжения. Номинальное напряжение MOV, называемое «напряжение варистора», представляет собой напряжение на варисторе, когда через устройство пропускается ток 1 мА. Этот уровень напряжения варистора, по существу, является точкой на характеристической кривой IV, когда устройство начинает проводить. Металлооксидные варисторы также могут быть подключены последовательно для повышения номинального напряжения зажима.

В то время как металлооксидные варисторы широко используются во многих цепях силовой электроники переменного тока для защиты от переходных перенапряжений, существуют также другие типы полупроводниковых устройств подавления напряжения, таких как диоды, стабилитроны и ограничители, которые все могут использоваться при некотором напряжении переменного или постоянного тока.

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

Что такое варистор и для чего он применяется, рассмотрен принцип действия варистров, их вольт-амперная характеристика, приведены основные параметры варисторов отечественного производства, а также параметры для дисковых варисторов серии TVR. Как выглядит из себя варистор который применяется в бытовой радиоаппаратуре, а также внешний вид мощных варистров.

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.

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.

Характеристики варисторов

Основными параметрами, которые используют при описании характеристик варисторов, являются:

Un — классификационное напряжение, обычно измеряемое при токе 1 мА, — это условный параметр, который указывается при маркировке элементов;
Um — максимально допустимое действующее переменное напряжение (среднеквадратичное);
Um= — максимально допустимое постоянное напряжение;
Р — номинальная средняя рассеиваемая мощность, это та, которую варистор может рассеивать в течение всего срока службы при сохранении параметров в установленных пределах;
W — максимальная допустимая поглощаемая энергия в джоулях (Дж), при воздействии одиночного импульса.
Ipp — максимальный импульсный ток, для которого время нарастания/длительность импульса: 8/20 мкс;
Со — емкость, измеренная в закрытом состоянии, при работе ее значение зависит от приложенного напряжения, и когда вари-стор пропускает через себя большой ток, она падает до нуля.

От величины W зависит, как долго может действовать перегрузка (с максимальной мощностью Рт) без опасности повредить варистор, т. е.:

Для применения рабочее напряжение у варисторов выбирается исходя из допустимой энергии рассеяния и максимально допустимой амплитуды напряжения. Напряжение ограничения примерно равно квалификационному напряжению (Un) варистора.

Для ориентировочных расчетов рекомендуется, чтобы на переменном напряжении оно не превышало Uвх PCBWay — всего $5 за 10 печатных плат, первый заказ для новых клиентов БЕСПЛАТЕН

Сборка печатных плат от $88 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет

Онлайн просмотрщик Gerber-файлов от PCBWay!