Схемы подключения варисторов. Подключение варисторов, применение варисторов, подбор варистора

Варисторы – надежное средство для подавления скачков напряжения в первичных электрических цепях. Компания Littelfuse выпускает широкую линейку этих изделий, состоящую из нескольких серий, в числе которых – лидеры отрасли по рассеиваемой энергии, индустриальные варисторы серии C-III .

Чтобы быть уверенным в надежном функционировании разрабатываемого устройства, нужно уже на ранних этапах разработки продумать подавление скачков напряжения. Это может быть комплексной задачей, потому что электронные компоненты очень чувствительны к переходным процессам. Разработчик должен определить тип угрозы, из-за которой могут возникать скачки напряжения, и то, каким стандартам должно соответствовать устройство, исходя из области его применения. Варисторы чаще всего применяются для подавления скачков напряжения в первичных цепях. Компаний-производителей варисторов на рынке немало. Рассмотрим различные типы варисторов, остановимся на их физической сущности и сравним варисторы лидера рынка защитных компонентов – компании Littelfuse – с варисторами других популярных производителей – Epcos и Fenghua .

Варистор – электронный прибор, сопротивление которого нелинейно меняется с изменением подаваемого на него напряжения, его вольт-амперная характеристика (ВАХ) схожа с ВАХ двунаправленных диодов Зенера. Варистор состоит, в основном, из оксида цинка ZNO с небольшим содержанием висмута, кобальта, магния и других элементов. Варистор из оксида металла (Metal Oxide Varistor или MOV) спекается в процессе производства в керамический полупроводник с кристаллической микроструктурой, которая позволяет рассеивать очень большие энергии, поэтому варисторы часто используются для защиты от скачков напряжения, вызванных ударами молний, связанных с переходными процессами, с индуктивными нагрузками, электростатическими разрядами в цепях переменного и постоянного тока, а также в промышленных линиях питания. Помимо этого, варисторы используются в сетях с постоянным напряжением, например, в низковольтных источниках питания или автомобильных цепях. Процесс производства варисторов позволяет придать им разнообразную форму. Однако наиболее распространенным форм-фактором варисторов является диск c радиальными выводами.

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.

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.

В местах соприкосновения микрогранул варистора возникает эффект проводимости. Так как количество гранул в объеме варистора очень велико, абсорбируемая варистором энергия значительно превышает энергию, которая может пройти через единичный p-n переход в диодах Зенера. В процессе прохождения тока через варистор весь проходящий заряд равномерно распределяется по всему объему. Таким образом, количество энергии, которую может абсорбировать варистор, напрямую зависит от его объема. Величина рабочего напряжения варистора и максимального тока зависят от расстояния между электродами, между которыми находятся гранулы оксида цинка. Однако есть множество других технологических моментов, которые обуславливают эти электрические параметры: технология гранулирования и спекания, влияющая на размер гранул и их площадь соприкосновения, присоединение металлических выводов, покрытие варистора, легирующие добавки. Например, диапазон рабочих температур дисковых варисторов зависит от типа покрытия диска: у варисторов с эпоксидным покрытием диапазон -55…85°С, у фенолового покрытия, встречающегося у варисторов Littelfuse серии C-III , этот диапазон расширен до 125°С. Также расширенный диапазон рабочих температур имеет большинство серий варисторов для поверхностного монтажа.

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.

При разработке варистора для заданного номинального напряжения Vn основным параметром является количество гранул n, заключенных между контактами, что, в свою очередь, влияет на размер варистора. На практике его материал характеризуется градиентом напряжения В/мм, измеренном в коллинеарном направлении с нормалью к плоскости варистора. Для контроля состава и условий производства градиент должен быть постоянным. Так как физические размеры варистора имеют определенные пределы, то сочетание примесей в составе прибора позволяет достичь заданного размера гранул и нужного результата.

Фундаментальным свойством ZnO-варистора является его практически постоянное падение напряжения на границах гранул во всем объеме. Наблюдения показывают, что вне зависимости от вида варистора, падение напряжения на границе соприкосновения гранул всегда составляет 2…3 В. Падение напряжения на границах гранул не зависит и от размера самих гранул. Таким образом, если опустить разные способы производства и легирования оксида цинка, то напряжение варистора будет зависеть от его толщины и размера гранул. Эта зависимость может быть легко выражена в следующем виде (формула 1):

где d – средний размер гранулы.

Учитывая

,

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.

Несмотря на то, что варисторы могут за несколько микросекунд абсорбировать большое количество энергии, они не могут продолжительно находиться в проводящем состоянии. Поэтому в некоторых случаях, когда, например, напряжение в сети на продолжительное время увеличивается до уровня срабатывания, варистор начинается сильно греться. Его перегрев может закончиться возгоранием (рисунок 4). Для защиты от этого стали применяться термисторы. Варистор со встроенным термистором защищен от перегрева, что продлевает его срок службы и защищает устройство от возможного возгорания.

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.

Как видно из таблицы 2, рассеиваемая варистором энергия зависит не только от его размеров, но и от технологии производства и материалов, которые использованы для выпуска серии. Заметим, что серия индустриального класса С-III производства компании Littelfuse вышла на первое место, серия UltraMOV тоже показала очень высокие характеристики, оказавшись на уровне конкурентов – серии Advanced производства Epcos . Также можно отметить, что варисторы C-III при меньшем габарите (D = 14 мм) имеют большую энергию рассеивания, чем стандартные серии конкурентов, имеющие большие размеры (D = 20 мм), а разница в рассеиваемой энергии между качественными варисторами в корпусе D = 20 мм и стандартными варисторами в корпусе D = 10 мм может отличаться на порядок.

Таблица 2. Сравнительный анализ наиболее популярных варисторов производства компаний Littelfuse, Epcos и Fenghua

Наименование	Производитель	Серия	D, мм	VRMS, В	Imax (8/20 мкс), А	Wmax (2 мс), Дж
	Littelfuse	C-III	20	275	10000	320
	Littelfuse	C-III	20	250	10000	300
,	Epcos	AdvanceD	20	275	10000	215
,	Epcos	AdvanceD	20	250	10000	195
	Littelfuse	UltraMOV®	20	275	6500	190
	Littelfuse	UltraMOV®	20	250	6500	170
,	Epcos	StandarD	20	275	8000	151
	Littelfuse	C-III	14	275	6500	145
	Fenghua	General	20	275	6500	140
,	Epcos	StandarD	20	250	8000	140
	Littelfuse	C-III	14	250	6500	135
	Fenghua	General	20	250	6500	130
,	Epcos	AdvanceD	14	275	6000	110
	Littelfuse	UltraMOV®	14	275	4500	110
,	Epcos	AdvanceD	14	250	6000	100
	Littelfuse	UltraMOV®	14	250	4500	100
	Fenghua	General	14	275	4500	75
,	Epcos	StandarD	14	275	4500	71
	Fenghua	General	14	250	4500	70
	Littelfuse	C-III	10	275	3500	70
,	Epcos	StandarD	14	250	4500	65
	Littelfuse	C-III	10	250	3500	60
,	Epcos	AdvanceD	10	275	3500	55
	Littelfuse	UltraMOV®	10	275	2500	55
,	Epcos	AdvanceD	10	250	3500	50
	Littelfuse	UltraMOV®	10	250	2500	50
	Fenghua	General	10	275	2500	45
,	Epcos	StandarD	10	275	2500	43
	Fenghua	General	10	250	2500	40
,	Epcos	StandarD	10	250	2500	38

Обзор варисторов производства компании Littelfuse c разбивкой на серии и области применения представлен в таблице 3.

Таблица 3. Области применения варисторов Littelfuse

Сегмент	Типовое применение и примеры	Серия	Технология	SMD-монтаж
Низковольтное оборудование, одноплатные устройства	Наладонные и портативные приборы, контроллеры, измерительное оборудование, компьютеры, дистанционные датчики, порты ввода/вывода и интерфейсы, медицинское оборудование	СН	MOV	+
		MA, ZA, RA, UltraMOV, CIII	MOV
		ML, MLE, MLN, MHS	MLV	+
Электросети, сетевые фильтры	Источники бесперебойного питания, измерители мощности, источники питания переменного напряжения, LED-драйверы, блоки питания, промышленные источники питания, автоматы, сетевые фильтры, бытовая электроника, управление питанием	TMOV, UltraMOV, CIII, LA, HA, HB, HG, HF, DHB, TMOV34S, RA	MOV	–
		SM20, SM7, CH	MOV	+
Автомобильная электроника	ABS, шины данных, контроллеры электродвигателей, сервоприводы, подушки безопасности, управление зеркалами, стеклоподъемниками, щетками	SM7, CH	MOV	–
		ZA, LV UltraMOV	MOV	–
		AUML, ML, MLE, MLN, MHS	MLV	+
Телекоммуникационное оборудование	Сотовые и DECT-телефоны, роутеры, модемы, сетевые карты, защита абонентского оборудования, T1/E1/ISDN, защита шин данных	SM7, CH	MOV	–
		ZA, LV UltraMOV	MOV	–
		SM20, SM7, ML, MLE, MLN, MHS	MLV	+
Мощное индустриальное оборудование	Силовые реле, соленоиды, драйверы электродвигателей, источники питания, роботы, большие двигатели/насосы/компрессоры	DA/DB, BA/BB, CA, HA, HB, HC, HG, HF, DHB, TMOV34S, CIII, UltraMOV	MOV	–

Литература

1. http://www.littelfuse.com/.
2. Electronics Circuit Protection Product Selection Guide.
3. http://www.littelfuse.com/~/media/electronics/product_catalogs/littelfuse_product_selection_guide.pdf.pdf.
4. Metal-Oxide Varistors (MOVs).
5. http://www.littelfuse.com/~/media/electronics/product_catalogs/littelfuse_varistor_catalog.pdf.pdf.

Для обеспечения защиты электрических цепей специалисты применяют широкий набор самых разнообразных устройств. Одним из таких приборов является варистор. Он срабатывает при возникновении серьезных скачков в системе, тем самым регулируя ее работу. Как и любое другое устройство, варистору необходимы регулярные проверки его технического состояния. Из данной статьи можно узнать о наиболее важной информации, связанной с его функционированием.

Что такое варистор?

Для начала следует остановиться на том, что представляет собой это устройство.

1. Данный прибор – это полупроводниковый резистор , уровень проводимости которого зависит от такого показателя, как величина приложенного напряжения.
2. Кроме того, он относится к нелинейным типам приборов.

Принцип работы варистора прост. При наличии в электрической цепи нормального уровня напряжения варистор пропускает через себя малый ток. В случае достижения в системе, в силу обстоятельств, предельных значений напряжения, варистор открывается и пропускает все токовые силы . Таким образом, осуществляется регулировка работы электрической цепи.

В настоящее время каждый производитель устанавливает свою маркировку на эти типы приборов. Это объясняется тем, что производимые приборы имеют разные технические характеристики . Например, предельно допустимое напряжение или необходимый для функционирования уровень тока.

Наиболее распространенными маркировками является обозначение вида CNR, которая дополняется такими элементами, как 07D390K. Обозначения имеют следующее значение:

1. CNR – серия варистора. Приборы с данным обозначением являются металлооксидными.
2. 07 – величина устройства в диаметре (7 миллиметров).
3. D – дисковый прибор.
4. 390 – предельно допустимый показатель уровня напряжения.

Основные параметры

Главными параметрами такого прибора являются:

• Величина напряжения.
• Предельно допустимый уровень переменного напряжения.
• Предельно допустимый уровень постоянного напряжения.
• Максимально возможное поглощение энергии, выраженное в джоулях.
• Время срабатывания.
• Допустимые погрешности в работе.

Для осуществления диагностики приборов предназначены специальные устройства, которые носят название тестеров. Для проведения проверки тестер необходимо включить и перевести в режим сопротивления. В том случае, если техническое состояние тестируемого аппарата отвечает всем необходимым требованиям , то данные на тестере будут отличаться очень большой величиной.

Если вы решили проверить свой прибор, то также следует удостовериться в его должном внешнем виде. Посмотрите внимательно, нет ли на приборе трещин и не подгорел ли он в каких-нибудь местах. Не стоит игнорировать данный совет и принижать роль внешнего вида аппарата – по утверждениям специалистов, тщательный визуальный осмотр прибора помогает избежать возникновения многих неприятных ситуаций.

Применение варисторов

В современном мире такой вид аппаратов имеют довольно широкую область применения. Они незаменимы в таких областях, как промышленное производство: их устанавливают на оборудовании. Частенько незаменим в бытовом применении. Эти проборы выполняют ряд важнейших функций:

1. Обеспечивают надежную защиту полупроводниковых устройств – различных типов тиристоров, диодов и стабилизаторов.
2. Создают высокий уровень электростатической защиты для входов разного рода радиоаппаратуры.
3. Препятствуют негативному воздействию электромагнитных всплесков в устройствах с высокой индуктивной мощностью.
4. Используются в качестве элемента для погашения искр в переключателях и другом оборудовании.

Достоинства

Этот вид аппаратов обладает целым рядом неоценимых преимуществ по сравнению с разрядниками и многими другими приборами.

К основным преимуществам можно отнести:

Недостатки

Однако, наряду с большим количеством преимуществ перед другими приборами прибор имеет также и некоторые недостатки. Среди них можно назвать такие моменты, как:

Во-первых, всегда нужно помнить, что иногда могут наступать так называемые критические условия – они с большой долей вероятности могут привести к взрыву устройства. Для предотвращения взрыва предназначены специальные устройства – защитные экраны. В них помещается вся конструкция варистора.

Во-вторых, следует не забывать, что кремневые варисторы по своим техническим характеристикам значительно уступают оксидным. Поэтому наиболее оптимальным вариантом является приобретение именно оксидного варистора.

Варистором называются полупроводниковые приборы, сопротивление которых резко уменьшается (на несколько порядков) при превышении приложенного к ним напряжения некоторого порогового значения. Данная особенность этих приборов обуславливает их применение в системах защиты электрических цепей от перенапряжения (путём подключения варистора параллельно защищаемой цепи). Вольтамперная характеристика варисторов симметрична, поэтому они ограничивают напряжение независимо от его полярности, в том числе могут работать в цепях переменного напряжения.

Как правило, они бывают металлооксидные или оксидноцинковые. Если посмотреть на вольт-амперные характеристики варистора, то можно отметить, что он имеет нелинейную симметричную форму, то есть может работать не только на постоянном, но и переменном напряжении. Такой элемент присоединяется параллельно нагрузке. Как работает варистор?

При повышении напряжения в сети ток проходит не через оборудование, а именно через варистор. Такое приспособление способно распределять энергию в виде тепла. Его главные особенности — это многократное использование и быстрое время восстановления, то есть его сопротивление имеет первоначальный показатель при снятии напряжения.

Какой имеет варистор принцип работы? Деталь ничем не отличается от обычного резистора, то есть при нормальном функционировании электроники он имеет омическое сопротивление. Итак, рассмотрим, какой имеет варистор принцип работы.

Показатель такого сопротивления довольно высок, и может составить 100000 Ом. При включении напряжения оно может уменьшиться, как только возникнет необходимость в защите уровня. Сопротивление падает от 100000 Ом до 100. Если значение упадет до низкого предела или будет равно нулю, то может возникнуть При который находится в электрической цепи перед варистором, выходит из строя. После этого электрическая цепь замыкается, и напряжение полностью отключается.

Как говорилось ранее, при отсутствии напряжения варистор может полностью восстановиться и работать в прежнем режиме. Для его функционирования требуется заменить Далее электронное устройство будет правильно функционировать. Варистор присоединяется параллельно источнику питания. Рассмотрим, какой имеет варистор принцип работы, на примере обычного персонального компьютера. Так как он имеет два вывода, то присоединение осуществляется параллельно фазы и нуля.

Как выглядит элемент?

Такое приспособление, как варистор, фото которого есть в нашей статье, напоминает обычный резистор, то есть имеет форму прямоугольника. Но все же имеет небольшое отличие.

Посреди него проходит диагональ, конец которой изогнут.

Как маркируется варистор?

На сегодняшний день можно встретить разные обозначения этих приборов. Каждый производитель вправе устанавливать ее самостоятельно. Маркировки различаются, потому что технические характеристики варисторов отличаются друг от друга. Примерами могут служить такие показатели, как допустимое напряжение или необходимый уровень тока.

В настоящее время каждый производитель устанавливает свою маркировку на эти типы приборов. Это объясняется тем, что производимые приборы имеют разные технические характеристики. Например, предельно допустимое напряжение или необходимый для функционирования уровень тока. Наиболее популярная маркировка - CNR, к которой прикрепляется такое обозначение, как 07D390K. Что же это значит? Итак, само обозначение CNR указывает на вид прибора. В этом случае варистор является металлооксидным.

Основные параметры варисторов

К таким параметрам относят:

• норма напряжения;
• максимально допустимый показатель переменного и постоянного тока;
• пиковое поглощение энергии;
• возможные погрешности;
• время работы элемента.

Диагностика

Чтобы проверить данное электронное устройство, используют специальное оборудование, которое называется тестером. Итак, для проведения испытания понадобится варистор, принцип работы которого заключается в изменении параметров сопротивления, и тестирующее устройство. Перед его началом необходимо включить устройство и переключить в режим сопротивления. Только тогда аппарат будет отвечать всем необходимым техническим требованиям, и величина сопротивления будет огромной.

Перед началом проведения испытаний необходимо проверить техническое состояние прибора. В первую очередь следует посмотреть на его внешний вид. На приборе не должно быть трещин, а также признаков того, что он сгорел. Не стоит относиться к осмотру аппарата халатно, так как любая небольшая поломка может привести к возникновению неприятных обстоятельств.

Варисторы: применение

Такие приборы играют важную роль в жизни человека.

Из всего вышеперечисленного можно сказать, что варистор, принцип работы которого заключается в защите электроники от высокого напряжения в сети, помогает предотвратить поломку многих электрических приборов и сохранить проводку в целостности. Основным местом являются электрические цепи в различном оборудовании. Например, они встречаются в пусковых элементах освещения, которые еще называются балластами. Также устанавливаются в электрических схемах специальные варисторы, применение которых необходимо для стабилизации напряжения и тока.

Такие устройства используются еще в линиях электропередач. Но там они называются разрядниками, рабочее напряжение которых составляет более двадцати тысяч вольт.

Варисторы могут работать в большом диапазоне напряжения, который начинается с совсем маленького значения в 3 В, и заканчивается 200 В. Что касается силы тока элемента, то здесь диапазон составляет от 0,1 до 1 А. Такие показатели тока действительны только для низковольтного технического оборудования.

Положительные стороны варисторов

Данный вид аппаратов имеет множество положительных качеств, если сравнивать его с другими приборами, например, с разрядником. К таким важным преимуществам можно отнести:

• высокая скорость работы элемента;
• возможность отслеживания перепадов тока безинерционным методом;
• возможность использования на уровне напряжения в пределах от 12 до 1800 В;
• длительный срок эксплуатации;
• относительно малая стоимость за счет простоты конструкции.

Отрицательные стороны

Вместе с таким большим количеством преимуществ перед другими приборами, есть также и существенные недостатки, среди которых можно выделить такие.

1. Варисторы имеют огромной размер собственной емкости, что сказывается на работе электрической сети. Такой показатель может находиться в пределах от 80 до 3000 пФ. Он зависит от многих моментов: конструкция и вид варистора, а также максимальное значение уровня напряжения. Стоит отметить, что в некоторых случаях такой существенный недостаток может превратиться в главное достоинство. Но такое возможно довольно редко, например, если использовать варистор в фильтрах. В такой ситуации большая емкость будет служить в качестве в сети.
2. По сравнению с разрядниками, варисторы не способны рассеивать мощность при максимальных показателях напряжения.

Чтобы увеличить показатель рассеянности необходимо увеличивать размер элементов, чем и занимаются многие производители.

Если появилась необходимость во включении варистора в электрическую сеть, необходимо помнить о таких важных моментах:

• Всегда следует иметь в виду, что данный прибор не вечен, и наступят такие условия, которые приведут к его взрыву. Чтобы этого не произошло, необходимо использовать специальные защитные экраны, в которые можно поместить весь варистор.
• Следует отметить, что кремневые технические приспособления существенно уступают по своим характеристикам оксидным аналогам. Поэтому лучше всего использовать именно этот вид варистора.

Заключение

Варистор играет важную роль в функционировании многих электрических цепей. Как говорилось ранее, такой вид полупроводниковых резисторов служит для уменьшения показателей сопротивления при увеличении напряжения или тока.

Благодаря такой возможности их устанавливают во многие электрические приборы. При скачках напряжения варистор, назначение которого направлено на изменение сопротивления, не дает ломаться приборам. Также он предотвращает перегоранию проводки. Таким образом, данные элементы обеспечивают надежную защиту при скачках в сети.

Свойства полупроводников изменять свою электропроводность под действием внешних возбуждений используется при построении ряда простейших полупроводниковых приборов (беспереходных), так называемых полупроводниковых резисторов.

Полупроводниковые резисторы – это множество видов резисторов, изготовленных из различных полупроводниковых материалов и использующих зависимость их электрического сопротивления от разнообразных воздействующих на резистор факторов. Соответственно выделяют:

варисторы (зависимость R от напряжения U);

терморезисторы (от температуры Т);

фоторезисторы (от светового потока Ф);

магниторезисторы (от магнитного поля В);

тензорезисторы (от механического давления Р).

Условные обозначения полупроводниковых резисторов приведены на рис. 1.

Наличие полупроводниковых резисторов с таким широким спектром зависимостей позволяет использовать их в разрабатываемой радиоэлектронной аппаратуре для решения множества разнообразных задач:

в качестве датчиков для измерения соответствующего параметра (U, Т, Ф, В, Р);

в устройствах стабилизации параметров объектов;

в системах сигнализации и защиты от перегрузок;

в системах регулирования физических величин;

в системах преобразования сигналов.

1. Варисторы

Варистор – это полупроводниковый резистор, сопротивление которого нелинейно зависит от приложенного как положительного, так и отрицательного напряжения. Варистор имеет два вывода.

В настоящее время варисторы достаточно широко используются, прежде всего как элементы защиты от перенапряжений, более того, в силу симметричности высоконелинейной вольт-амперной характеристики при уникально высокой импульсной устойчивости, оксидно-полупроводниковые варисторы в настоящее время являются практически единственным реальным и массовым быстродействующим средством защиты сложных и дорогостоящих полупроводниковых систем различного назначения.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) варистора нелинейная и симметричная (рис. 2).

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика варистора

Основными материалами, используемыми для изготовления варисторов, являются карбид кремния и оксид цинка.

1. Принцип действия варисторов на основе карбида кремния

Чтобы получить такую зависимость I (U ) варисторы изготавливают в основном из карбида кремния SiC, порошкообразные зерна которого размером 20 …180 мкм перемешивают с 10 … 40 % связующего диэлектрического материала – глины, керамики, прессуют и обжигают при высокой температуре. В результате варистор представляет собой внутри конгломерат зерен с самой разной величиной зазоров и площадей соприкосновения.

Нелинейность ВАХ этого типа варистора обусловлена увеличением в сильных электрических полях проводимости поверхностных потенциальных барьеров или окисных плёнок на кристаллах. А также увеличением проводимости точечных контактов между кристаллами из-за разогрева в связи с выделяющейся на них мощностью.

Поскольку толщина поверхностных потенциальных барьеров и окисных пленок на кристаллах карбида кремния мала, там могут возникать сильные электрические поля даже при малых напряжениях на варисторе, что приводит к туннелированию носителей заряда сквозь потенциальные барьеры или сквозь тонкие оксидные пленки. Таким образом, при малых напряжениях на варисторе нелинейность ВАХ связана с зависимостью проводимости поверхностных потенциальных барьеров и окисных пленок, от величины напряжения.

При больших напряжениях на варисторе и соответственно, при больших токах, проходящих через варистор, плотность тока в точечных контактах оказывается очень большой. Все напряжение, приложенное к варистору, падает на точечных контактах. Поэтому удельная мощность, выделяющаяся в точечных контактах, достигает таких значений, которые нельзя не учитывать. Разогрев точечных контактов приводит к уменьшению их сопротивления и к нелинейности ВАХ.

При мелкозернистой структуре эти механизмы практически не зависят от полярности приложенного напряжения – соответственно ВАХ варистора получается симметричной.

Сопротивление точечных контактов определяется сопротивлением растекания, т.е. сопротивлением малых активных областей полупроводника под точечными контактами. Из-за малости активных областей их разогрев практически не приводит к повышению температуры всего варистора. Кроме того, малые объемы активных областей обеспечивают малую инерционность тепловых процессов. Теоретические расчеты показывают, что тепловая постоянная времени активных областей может составлять 10,6…1,7 с. Считая разогрев активных областей одним из основных процессов, приводящих к нелинейности ВАХ в рабочем диапазоне напряжений и токов для варистора, можно получить ряд важных зависимостей и характеристик варистора.

Температурная зависимость удельной проводимости полупроводников соответствует уравнению:
.

Сопротивление растекания двух контактирующих кристаллов:
,

где d – диаметр точечного контакта,B – коэффициент температурной чувствительности поверхностных слоёв кристалла.

Тогда статическое сопротивление варистора, состоящего из N параллельно включённых цепочек, имеющих свою очередьN ’ последовательно включённых контактирующих кристаллов:
.

Уравнение теплового баланса для активных областей варистора:

где Н – коэффициент рассеяния активных областей,Т – температура активных областей,Т – температура среды, окружающей активные области.

ВАХ приближенно может быть представлена уравнениями:

,
,

где U ,I – напряжение и ток варистора,C ,B ,
, – некоторые коэффициенты, причем
,
.

Параметры и характеристики варисторов на основе карбида кремния

Коэффициент нелинейности характеризует нелинейность ВАХ варистора. Для линейных резисторов он равен единице, для нелинейных – существенно больше единицы, причем с увеличением нелинейность ВАХ возрастает. Выражение для вычисления коэффициента нелинейности можно получить из соотношения между статическим и динамическими сопротивлениями варистора в определенной точке ВАХ:

.

ВАХ варистора в двойном логарифмическом масштабе (рис. 3):

lgU =lgI +lgC

EMBED Word.Picture.8

Рис. 3. ВАХ варистора в двойном логарифмическом масштабе

Коэффициент нелинейности в этом случае будет численно равен котангенсу угла наклона характеристики к оси токов: β = ctg= (lgI 2 - lgI 1)/(lgU 2 -lgU 1).

Для вычисления зависимости сопротивления варистора от протекающего по нему тока или приложенного напряжения пользуются соотношением:

R =CI α-1 /B

Иногда в практических расчетах неудобно пользоваться аналитическими выражениями ВАХ. В этом случае в достаточно широком диапазоне напряжений можно пользоваться эмпирическим уравнением:
,

где – электрическая проводимость рабочего тела варистора в слабых полях,a – постоянная. ВАХ варистора представлена на рис. 2.

Тогда коэффициент нелинейности β и постоянная В примут следующий вид:

,
.

Расчетные зависимости β от внешнего напряжения представлены на рис. 4.

Рис. 4. Расчетная зависимость коэффициента нелинейности от напряжения при различных температурах (В = 600 К)

Варистор – это радиоэлектронный элемент, применяемый в цепях защиты электронных приборов от перенапряжений в сети.

Он представляет собой полупроводниковый резистор, имеющий нелинейную вольт-амперную характеристику. Сопротивление варистора изменяется от сотен Мом до десятков Ом в зависимости от приложенного напряжения.

Полупроводниковый резистор включается параллельно с предохранителем в цепи питания электронных устройств для демпфирования воздействия всплесков напряжения в сети.

Обозначение варистора на схеме – это обозначение резистора, перечёркнутого ломаной линией, подразумевающей нелинейность.

В нормальном режиме работы полупроводниковый резистор имеет высокое сопротивление, но когда напряжение превышает номинальное, его сопротивление сильно падает, а ток возрастает из-за лавинного эффекта. Напряжение на нём остаётся на уровне чуть выше номинального, иными словами в этом режиме работает как стабилитрон.

Подключенный на входе цепей питания, полупроводниковый резистор вносит в цепь собственную ёмкость, которую нужно учитывать при проектировании, чтобы обеспечить устойчивую работу устройства. Значение ёмкости имеет прямо пропорциональную зависимость от площади и обратно пропорциональную от толщины.

Чтобы правильно подобрать элемент защиты от перегрузок цепей источника питания электронного устройства, необходимо знать входное сопротивление источника и мощность импульсов, возникающих при переходных процессах.

Длительность и период повторений выбросов напряжения определяет максимальное значение тока, которое может пропускать варистор. Если максимальное (пиковое) значение мало, то он перегреется и выйдет из строя.

Значит, для работы без отказов элемент должен эффективно рассеивать энергию импульса переходного процесса с возвратом в исходное состояние.

Классификация, достоинства и недостатки

По рабочему напряжению полупроводниковые резисторы делятся на:

• на высоковольтные (рабочее напряжение до 20кВ);
• низковольтные (от 3 до 200В).

Высоковольтные применяются для защиты от перенапряжений в электросетях и электроустановках, а низковольтные – для защиты цепей питания радиоэлектронных приборов и устройств.

К положительным характеристикам полупроводникового резистора можно отнести:

• способность работать на высоких частотах с большими нагрузками;
• невысокая стоимость;
• широкая применяемость;
• надёжность;
• простота применения.

Его недостатки проявляются в создании повышенного низкочастотного шума и в зависимость их вольт-амперной характеристики от температуры.

Технология изготовления

Варисторы изготавливают из порошков оксида цинка и карбида кремния на основе технологии, называемой «керамической». Технология заключается в прессовании элементов из порошков с обжигом их в высокотемпературной печи и покрытием корпуса электроизоляционным и влагостойким лаком.

Стандартная технология позволяет изготавливать полупроводниковые резисторы по индивидуальному заказу.

Параметры

Полупроводниковые резисторы характеризуются следующими параметрами:

• номинальное напряжение классификационное (В) – напряжение при котором варистор пропускает ток в 1 mA;
• напряжение максимально допустимое переменное (В)– это величина переменного напряжения, при котором ток варистора резко возрастает и он выполняет свои защитные функции;
• напряжение максимально допустимое постоянное (В)– величина постоянного напряжения, при котором, как и в предыдущем случае, варистор переходит в режим защиты;
• напряжение ограничения максимальное (В)– величина максимального напряжения, которое варистор выдерживает без повреждения; при превышении его он выходит из строя: растрескивается, выгорает или разрушается на куски;
• Максимальная поглощаемая энергия (Дж) – это максимальная энергия импульса, которую рассеивает варистор в виде тепла без разрушения;
• Время срабатывания (нс) – время, в течение которого он переходит из высокоомного состояния в низкоомное; у большинства варисторов оно составляет десятки наносекунд;
• Допустимое отклонение – значение отклонения от напряжения квалификационного (%). Выражается в виде стандартизованного ряда ±5%, ±10%, ±20% и т. д.

Маркировка варисторов, обозначения

На корпусе каждого элемента имеется маркировка из букв и цифр, расшифровка которых поведает о характеристиках электронного элемента.

Первые буквы в маркировке означают вид элемента: СН – сопротивление нелинейное.

Цифра в маркировке между двух дефисов – тип конструкции: 1 – стержневая, 2- дисковая.

Последующие цифры в ряду маркировки означают номинальное напряжение и допустимое отклонение в процентах.

Исправен ли варистор, как проверить?

Исправность элемента можно проверить несколькими способами:

• Визуальным осмотром с целью определения подгораний, растрескиваний корпуса, потемнения корпуса, которые говорят о возможной неисправности элемента;
• Измерением сопротивления с помощью омметра или мультиметра .

Заключение

В данной статье мы узнали, что такое варистор – это резистор из полупроводникового материала с нелинейной вольт-амперной характеристикой, который надёжным и простым способом защиты электронных приборов от импульсных перегрузок.

В случае резкого превышения номинального напряжения питания, полупроводниковый резистор резко понижая своё сопротивление , шунтирует цепь питания и берёт на себя нагрузку по резко возросшему току.