Варистор, варисторная защита

Что такое варистор и где применяется

Варистор –  это выполненный из полупроводникового материала переменный резистор, который способен изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от приложенного к нему напряжения.

Принцип действия у такого электронного компонента отличается от обычного резистора и потенциометра. Стандартный резистор имеет постоянное во величине сопротивление в любой промежуток времени вне зависимости от напряжения в цепи, потенциометр позволяет менять сопротивление вручную, поворачивая ручку управления. А вот варистор обладает нелинейной симметричной вольтамперной характеристикой и его сопротивление полностью зависит от напряжения в цепи.

Благодаря этому свойству, варисторы широко и эффективно применяют для защиты электрических сетей, машин и оборудования, а также радиоэлектронных компонентов, плат и микросхем вне зависимости от вида напряжения. Они имеют невысокую цену изготовления, надежны в использовании и способны выдерживать высокие нагрузки.

Варисторы применяются, как в высоковольтных установках до 20 кВ, так и в низковольтных от 3 до 200 В в качестве ограничителя напряжения. При этом они могут работать, как в сетях с переменным, так и с постоянным током. Их используют для регулировки и стабилизации тока и напряжения, а также в защитных устройствах от перенапряжения. Используются в конструкции сетевых фильтров, блоков питания, мобильных телефонов, УЗИП и других ОИН.

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.

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.

Особенности маркировки

Существует много вариантов обозначений, которые применяют производители. На маркировку главное влияние оказывают технические характеристики отдельно взятого варистора. К таким показателям обычно относятся требуемый уровень тока или допустимое напряжение.

Разность в параметрах обуславливает и варианты маркировки. В число наиболее популярных аббревиатур входит обозначение CNR с добавлением набора символов 07D390K.

Рассмотрим, как расшифровывается каждый из имеющихся символов. CNR – это вид самого прибора. В нашем случае речь идет о металлооксидном варисторе.

Размер по диаметру – 07, что идентично 7 мм. Отношение к дисковым устройствам – D. А наибольшее значение напряжения – 390.

Как проверить варистор?

Вот 3 способа, доступных практически каждому:

1. Осмотр
2. Проверить варистор мультиметром
3. Прозвонить цепь.

Начнем с самого простого способа – посмотреть на варистор

Для доступа к нему придется разобрать бытовой прибор и очистить его от пыли. Тут вам понадобится отвертка и щеточка. Запыленность – основная проблема блоков питания. Поврежденный варистор можно обнаружить по трещинам на корпусе, вздутиям, явным признакам воздействия высоких температур. (Как минимум немного оплавленный корпус, как максимум – следы короткого замыкания).

Варистор покрыт снаружи, как правило, керамикой или эпоксидным покрытием. При перегревании варистора – покрытие трескается.

Мультиметр

Проверить варистор мультиметром довольно просто. Выставляем на мультиметре предел измерения. Выкручиваем его на максимум, как правило это 2 мегаОма (2МОм, 2М, реже 2000К). При измерении, мультиметр должен показывать сопротивление ближе к бесконечности. Зачастую, он показывает 1-2 мегаома.

Касаться варистора руками при измерении нельзя! В таком случае мультиметр покажет вам сопротивление вашего тела, а не варистора.

Прозвон

При прозвоне придется отпаять одну из ножек варистора из цепи. Прозвон, следует осуществлять с разных направлений. Рабочий варистор не прозванивается, что понятно. Ток через него не идет. Сопротивление не позволяет.

Проверка на исправность

Для поиска неисправностей необходима схема устройства. Для примера следует обратиться к схеме 2, в которой применяется варистор. В ней будет рассмотрен только вариант выхода из строя полупроводникового резистора. Основным этапом поиска неисправностей является подготовка рабочего места и инструмента, которая позволяет сосредоточиться на выполнении ремонта и произвести его качественно. Для ремонтных работ потребуется следующий инструмент:

1. Отвертка.
2. Щетка, которая нужна для очистки платы от пыли. Следует производить очистку постоянно, поскольку она является проводником электричества. В результате этого может произойти выход из строя определенного элемента схемы или короткое замыкание.
3. Паяльник, олово и канифоль.
4. Мультиметр для диагностики радиокомпонентов.
5. Увеличительное стекло для просмотра маркировки.

Вам это будет интересно  Расчет сопротивления параллельного соединения резисторов

После подготовки рабочего места и инструмента следует аккуратно разобрать сетевой фильтр, а затем при необходимости произвести очистку от пыли и мусора.

Схема 2 — Схема электрическая принципиальная сетевого фильтра на 220 вольт и его доработка.

Найти варистор и произвести его визуальный осмотр. Корпус должен быть целым и без трещин. Если было обнаружено нарушение целостности корпуса, то его необходимо выпаять и произвести замену на такой же или выбрать аналог. Необходимо отметить, что полярность подключения варистора в цепь не имеет значения. Если механические повреждения не обнаружены, то следует перейти к его диагностике, которая производится двумя способами:

1. Измерение сопротивления.
2. Поиск неисправности, исходя из технических характеристик элемента.

В первом случае деталь выпаивается из платы и замеряется значение ее сопротивления при помощи мультиметра. Переключатель ставится в положение максимального диапазона измерений (2 МОм достаточно). При замере не следует касаться руками варистора, поскольку прибор покажет сопротивление тела. Если мультиметр показывает высокие значения, то радиокомпонент исправен, а при других значениях его следует заменить. После замены следует собрать корпус и произвести включение сетевого фильтра.

Следует проверить силу тока, при которой он работает, поскольку ее значение может быть меньше необходимой. В этом случае он не будет работать. Также нужно проверить величину напряжения, на которую он рассчитан. Если по каким-либо причинам эти показатели меньше допустимых, то полупроводниковый резистор не откроется.

Таким образом, варистор получил широкое применение в различных устройствах защиты от перепадов напряжения и блоках питания, а также статического электричества. Современные технологии позволяют получить низкие показатели времени срабатывания, благодаря которому сферы применения этого радиоэлемента расширяются.

Варистор (дословный перевод с английского — резистор с переменным сопротивлением) — полупроводник с нелинейной вольт—амперной характеристикой (вах).

Все электроприборы рассчитаны на свое рабочее напряжение (в домах 220 В или 380В). Если произошел скачок напряжения (вместо 220 В подали 380В) — приборы могут сгореть. Тогда на помощь и придет варистор.

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 действия

Варистор — это полупроводниковый прибор с симметричной нелинейной вольтамперной характеристикой. По ее форме можно сделать вывод о том, что варистор работает и в переменном и в постоянном токе. Рассмотрим её подробнее.

В нормальном состоянии ток через варистор предельно мал, его называют током утечки. Его можно рассматривать как диэлектрический компонент с определенной электрической емкостью и можно говорить, что он не пропускает ток. Но, при определенном напряжении (на картинке это + — 60 Вольт) он начинает пропускать ток.

Другими словами, принцип работы варистора в защитных цепях напоминает разрядник, только в полупроводниковом приборе не возникает дугового разряда, а изменяется его внутреннее сопротивление. При уменьшении сопротивления, ток с единиц микроампер возрастает до сотен или тысяч Ампер.

Условное графическое изображение варистора в схемах:

Обозначение элемента на схемах напоминает обычный резистор, но перечеркнутый по диагонали линией, на которой может быть нанесена буква U

Чтобы найти на плате или в схеме этот элемент – обращайте внимание на подписи, чаще всего они обозначаются, как RU или VA

Читать также: Паяльник для домашних нужд

Внешний вид варистора:

Варистор устанавливают параллельно цепи для ее защиты. Поэтому при импульсе напряжения защищаемой цепи — энергия поступает не в устройство, а рассеивается в виде тепла на варисторе. Если энергия импульса слишком велика — варистор сгорит. Но понятие сгорит размазано, варианта развития два. Либо варистор просто разорвет на части, либо его кристалл разрушится, а электроды замкнутся накоротко. Это приведет к тому, что выгорят дорожки и проводники, или произойдет возгорание элементов корпуса и других деталей.

Чтобы этого избежать перед варистором, последовательно со всей цепью на сигнальный или питающий провод устанавливают предохранитель. Тогда в случае сильного импульса напряжения и долговременного срабатывания или перегорания варистора сгорит и предохранитель, разорвав цепь.

Если сказать вкратце, для чего нужен такой компонент — его свойства позволяют защитить электрическую цепь от губительных всплесков напряжения, которые могут возникать как на информационных линиях, так и на электрических линиях, например, при коммутации мощных электроприборов. Мы обсудим этот вопрос немного ниже.

Маркировка варистора

Если же ваш варистор вышел из строя, то для его замены нам здорово поможет знание маркировки варистора. Сама маркировка располагается на корпусе и представляет собой набор латинских букв и цифр. Несмотря на разных производителей, в большинстве своем, маркировка на варисторах не сильно отличается и её вполне возможно прочитать.

В качестве примера, приведем 2 разных варистора от разных производителей:

• CNR -12D182K
• ZNR V12182U.

Первая цифра 12 – обозначает диаметр варистора в миллиметрах. Вторая цифра – 182К напряжение открытия. 18 – напряжение, 2- коэффициент. CNR же – обозначение материала варистора. В данном конкретном примере, варистор изготовлен из оксидов металлов.

K – используется для обозначения класса точности. То есть, если написано на корпусе варистора – 275К, то К – точность 10%, а 275 – напряжение открытия. И напряжение открытия рассчитывается так – 275 +- 27,5. То есть, например, наш варистор 20D471K можно заменить варистором TVR20471. Или любым другим аналогом варистора. Например – SAS471D20. Нужно лишь знать основные принципы маркировки.

Правда, с отечественными варисторами так не получится. Придется воспользоваться справочными материалами. Наши варисторы обозначаются так – СН2-1, ВР-1 и СН2-2. Например: CН-2 – оксидо цинковые варисторы. Но узнать это можно только из справочных материалов.

Несмотря на вышеописанные принципы маркировки, настоятельно рекомендуем пользоваться справочной литературой при выборе варистора. В ней указываются все необходимые характеристики варистора, в том числе и те, которые не узнать по маркировке.

Что делать, если у вашего варистора стерта маркировка?

Узнать, на какое напряжение рассчитан ваш варистор вам поможет мегомметр. Чтобы проверить варистор, надо подключить его к мегомметру и прогонять его по пределам. То есть, если варистор на 470В, то проверять его стоит на 500В.

Есть способ, с использованием блока питания. Правда, для этого нужен блок питания, с регулируемым напряжением и максимальной силой тока. Силу тока нужна выставить такую, чтобы варистор не сгорел. А как мы писали выше, они имеют тенденцию взрываться.

Варистор со стёртой маркировкой

Соответственно, перед подключением его следует визуально осмотреть. Если на корпусе варистора имеются трещины, вздутия, визуально видно, что он плавился – то такой варистор точно не рабочий. Но зачастую – это трещины. Материал варисторов склонен к старению, об этом всегда следует помнить. Варисторы, с такими повреждениями, можно не проверять. Они не рабочие.

Подробнее о варисторах в видео:

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.

Защита варистором техники

Варисторная защита применяется в бытовых приборах. Они могут быть припаянными в саму плату, или же выведены и закреплены отдельными проводами. Варисторы необходимо подключать параллельно. Подключать их последовательно просто не имеет смысла. Ток по цепи в таком случае проходить просто не будет.

Как работает варисторная защита?

Например, рядом с вашим домом ударила молния. Или она могла попасть в ЛЭП. В сети происходит скачек напряжения. Варистор его поглощает и, если импульс слишком сильный/продолжительный – варистор умирает. То есть, варистор гарантия того, что ваша чувствительная электроника не сгорит от скачка напряжения. Однако, следует помнить, что варистор может стать точкой короткого замыкания, во время длительной работы при максимальном напряжении.

Выше мы описали несколько способов как этого избежать. Брать варисторы с термисторами или же включать в цепь предохранители. Если все максимально упростить: при низком напряжении варистор – блокирующее устройство, при высоком – проводящее.

Причины перепадов напряжения

Причиной сгоревшей техники может стать не только плохое заземление. Кратковременные перепады напряжения также несут опасность для аппаратуры. Внезапное падение напряжения с большой вероятностью отключит электроприборы. Повышение же может повредить технику и даже привести к пожару.

Причины резкого повышения напряжения бывают различными:

• Нестабильная работа трансформаторов подстанции;
• Аварии на линии электропередач, обрыв ноля, ослабление заземления;
• Удар молнии;
• Одновременное отключение мощных потребителей, или значительная перегрузка сети.

Из-за этих причин напряжение в проводах может резко возрасти, появится импульс, который повредит технике. Особенно чувствительно к перенапряжению цифровая электроника. Спрогнозировать случайные перепады из-за сторонних причин практически невозможно. Потому куда разумнее защитить электронику в своем доме от таких скачков.

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.

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.

Недостатки

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

1. Большой размер собственной емкости, вносимой в электрическую цепь. В зависимости от технических характеристик варистора – его конструкции, вида и максимально допустимого уровня напряжения данный показатель может равняться от 80 до 3000 пФ. Однако следует отметить, что в некоторых случаях большой объем вносимой в систему емкости может и сыграть на руку и превратиться в достаточно весомое достоинство. Например, при использовании тиристора в разнообразных фильтрах. В данной ситуации емкость будет ограничивать уровень напряжения в цепи.
2. Разрядники обладают более высоким показателем предельно допустимой способности рассеивать мощность, нежели варистор. Некоторые производители для увеличения данного показателя существенно увеличивают размеры выпускаемых варисторов. Что следует помнить при установке варистора? В том случае, если вам необходимо включить варистор в самодельную систему, следует знать о некоторых важных моментах.

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.