Что такое варикап?

Характеристики популярных моделей

В производстве электронной продукции широко применяется маломощный импульсный диод LL4148. Он имеет характеристики:

• материал – кремний;
• наибольший прямой ток – не менее 150 мА;
• обратное напряжение – минимум 100 В;
• емкость – не более 4 пФ;
• время переключения – не более 4 нс.

Отечественным аналогом является КД521 (КД522), но он выпускается только в выводном исполнении.

BAS16 (один вывод не используется)

Прибор BAS16 имеет характеристики:

• материал – кремний;
• наибольший прямой ток – не менее 215 мА;
• обратное напряжение – минимум 85 В;
• емкость – не более 2 пФ;
• время переключения – не более 0,006 мкс.

Если рассматривать стабилитрон BZX884S-C2V4, то надо обратить внимание на его небольшой прямой ток – до 200 мА. Другие параметры таковы:

• напряжение стабилизации – 2,4 вольта;
• номинальный ток стабилизации – 5 мА;
• дифференциальное сопротивление при токе 1 мА – 275 (максимально 600) Ом;
• дифференциальное сопротивление при токе 5 мА – 70 (максимально 100) Ом;
• емкость – не более 260 пФ.

Для наглядности рекомендуем видео

Очевидно, что имеется определенное ограничение на характеристики элементов, выпускаемых для поверхностного монтажа. Такая конструкция затрудняет установку мощного электронного компонента на большой, эффективный радиатор, поэтому в корпуса SMD «пакуют» большей частью маломощные элементы, не требующие отведения тепла в большом количестве.

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:

Типоразмеры и виды SMD корпусов

Корпуса для двухвыводных элементов для поверхностного монтажа бывают в основном двух видов:

1. Металлостеклянные – в виде стеклянного цилиндра с металлическими выводами-заглушками. Таков, например, распространенный корпус SOD80. Подобные корпуса удобно маркировать разноцветными кольцами. Цвет и количество определяют тип прибора, а расположение – распиновку (обычно кольца наносят в районе катода).
2. Пластиковые и керамические – в виде параллелепипедов с ленточными выводами (площадками) под поверхностный монтаж. Маркируются чаще всего полосами около катодного вывода или точками.

Типы и размеры наиболее применяемых корпусов для двухвыводных элементов собраны в таблицу.

Корпус	Материал	Габариты
Длина, мм	Ширина (диаметр), мм
MELF (0207), он же SOD-80	Металлостеклянный	5,8	2,2
MiniMELF (0204)	Металлостеклянный	3,6	1,4
MiniMELF (0102)	Металлостеклянный	2,2	1,2
DO-214AC (SMA)	Пластик	4..4,6	2,5..2,9
DO-214AA (SMB)	Пластик	4,06..4,7	3,3..3,94
DO-214AB (SMC)	Пластик	6,6..7,11	5,59..6,22
DL-35	Металлостеклянный	3,5	1,45
Power DI123	Пластик с теплоотводящей подложкой	2,8	1,78
SOT-23 (с тремя выводами, используется для сборок из 2 диодов)	Пластик	2,8..3,0	1,2..1,4
SM-1	Металлостеклянный	5	2,5
SOD-323	Пластик	1,6..1,8	1,2..1,4
SOD-123	Пластик	2,55..2,85	1,4…1,7
SOD-523	Пластик	1,6	0,8
SOD-882	Пластик	1	0,5

Прибор в корпусе DL-35

В отдельную категорию надо выделить корпуса для СМД-светодиодов. Они имеют специфическую конструкцию. Плоский параллелепипед сверху покрыт слоем люминофора и компаунда, а с противоположных торцов расположены выводы под пайку. Снизу находится металлическая подложка для отведения тепла.

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.

Основные электрические и эксплуатационные параметры

• Общая емкость — емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении.
• Коэффициент перекрытия по емкости — отношение емкостей при двух заданных значениях обратного напряжения на варикапе.
• Добротность — отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте к сопротивлению потерь при заданном значении емкости или обратного напряжения.
• Постоянный обратный ток — постоянный ток, ток утечки, протекающий через варикап при заданном обратном напряжении.
• Максимально допустимое постоянное обратное напряжение.
• Максимально допустимая рассеиваемая мощность.
• Температурные коэффициенты емкости и добротности — отношение относительного изменения емкости (добротности) варикапа к вызвавшему его абсолютному изменению температуры. В общем случае сами эти коэффициенты зависят от значения обратного напряжения, приложенного к варикапу.
• Предельная частота варикапа — значение частоты, на которой реактивная составляющая проводимости варикапа становится равной активной составляющей. Измерение предельной частоты производится при конкретных заданных обратном напряжении и температуре, которые, в свою очередь, зависят от типа варикапа.

Варикап

Варикап — это разновидность полупроводникового диода, который изменяет свою ёмкость пропорционально величине приложенного обратного напряжения от единиц до сотен пикофарад.

Где применяются варикапы

Варикапы применяют в основном в тех устройствах где требуется изменение емкости.Наиболее частое применение у варикапов- это использование их в качестве регулируемых конденсаторов в колебательных контурах. Изменяя приложенное к нему напряжение можно управлять емкостью варикапа и следовательно менять резонансную частоту колебательного контура. Поэтому варикапы чаще всего применяют в радиоприемных устройствах: тюнерах телевизоров или радиоприемников.

Как работает варикап

P-n переход любого диода обладает так называемой барьерной ёмкостью. Сама по себе барьерная ёмкость перехода для диода нежелательна. Но и этот недостаток смогли использовать. В результате был разработан варикап — некий гибрид диода и переменного конденсатора, ёмкость которого можно менять с помощью напряжения.

Как известно, при подаче обратного напряжения на диод, он закрыт и не пропускает электрический ток. В таком случае p-n переход выполняет роль своеобразного изолятора, толщина которого зависит от величины обратного напряжения (U_обр). Меняя величину обратного напряжения (U_обр), мы меняем толщину перехода – этого самого изолятора. А поскольку электрическая ёмкость C зависит от площади обкладок, в данном случае площади p-n перехода, и расстояния между обкладками – толщины перехода, то появляется возможность менять ёмкость p-n перехода с помощью напряжения. Это ещё называют электронной настройкой.

На варикап прикладывают обратное напряжение, что изменяет величину ёмкости барьера p-n перехода.

Отметим, что барьерная ёмкость есть у всех полупроводниковых диодов, и она уменьшается по мере увеличения обратного напряжения на диоде. Но вот у варикапов эта ёмкость может меняться в достаточно широких пределах, в 3 – 5 раз и более.

Параметры варикапов

Несмотря на то, что варикап разработан на базе диода, это всё-таки конденсатор и именно параметры, связанные с ёмкостью и являются основными. Вот лишь некоторые из них:

• • Максимальное обратное постоянное напряжение (U_{обр. max.}). Измеряется в вольтах (В). Это максимальное напряжение, которое можно подавать на варикап. Напомним, что ёмкость варикапа уменьшается при увеличении обратного напряжения на нём.

  • Номинальная ёмкость варикапа (С_В). Это ёмкость варикапа при фиксированном обратном напряжении. Поскольку варикапы выпускаются на различные значения ёмкости, начиная от долей пикофарады и до сотен пикофарад, то их ёмкость измеряют, подавая определённую величину обратного напряжения на варикап. Оно может быть равным 4 и более вольтам, и, как правило, указывается в справочных данных.

    Также может указываться минимальная и максимальная ёмкость варикапа (C_min и C_maх). Это связано с тем, что параметры выпускаемых варикапов могут несколько отличаться. Поэтому в справочных данных указывают минимально- и максимально- возможную ёмкость варикапа при фиксированном обратном напряжении (U_обр). Это и есть C_max и C_min.

    У импортных варикапов обычно указывается только одна величина C_d (или C_д) – ёмкость варикапа при обратном напряжении, близком к максимальному. Например, для импортного варикапа BB133 ёмкость C_d = 2,6 pF (пФ) при обратном напряжении V_R = 28 V.

  • Коэффициент перекрытия по ёмкости (К_с). Этот параметр показывает отношение максимальной ёмкости варикапа к минимальной. Считается так:

Например, для отечественного варикапа КВ109А коэффициент перекрытия Кс равен 5,5. Ёмкость при Uобр = 25 В составляет 2,8 пФ (Это — C_min). Так как диапазон обратного напряжения для варикапа КВ109А составляет 3 – 25 вольт, то используя формулу, можно узнать ёмкость этого варикапа при обратном напряжении в 3 вольта. Оно составит 15,4 пФ.(Это -C_max).

В документации на импортные варикапы так же указывается коэффициент перекрытия. Он называется capacitance ratio. Формула, по которой считается этот параметр, выглядит так (для варикапа BB133).

Как видим, берётся ёмкость варикапа при обратном напряжении в 0,5 V и в 28 V. Так как ёмкость варикапа уменьшается при увеличении обратного напряжения на нём, то становиться ясно, что эта формула расчёта аналогична той, что применяется для расчёта Кс.

Все остальные параметры можно считать несущественными

В некоторых случаях необходимо обратить внимание на граничную частоту, но это не столь важно, поскольку варикапы уверенно работают во всём радио и телевизионном диапазоне

Конструкция

Внутренняя структура варикапа

Обычно варикапы изготавливаются по планарно-эпитаксиальной технологии, позволяющей оптимизировать электрические параметры прибора. На пластине сильнолегированного низкоомного полупроводника (обычно с n-типом проводимости, обозначается n+) выращивается высокоомная пленка низколегированного полупроводника n-типа. C помощью диффузии акцепторной примеси на поверхности эпитаксиального слоя формируется низкоомный анодный слой p-типа.

Боковая поверхность структуры для защиты выходящего на поверхность p-n-перехода и увеличения обратного пробойного напряжения покрывается легкоплавким стеклом.

Маркировка, основные характеристики и параметры

Каждый производитель варисторов маркирует свой продукт определенным образом, поэтому существует достаточно большое количество вариантов обозначений и их расшифровок. Наиболее распространенным российским варистором является К275, а популярными компонентами иностранного производства являются 7n471k, kl472m и другие.

Расшифровать обозначение варистора CNR-10d751k можно следующим образом: CNR – металлооксидный варистор; d – означает, что компонент в форме диска; 10 – это диаметр диска; 751 –напряжение срабатывания для данного устройства (расчёт происходит путём умножения первых двух цифр на 10 в степени равной третьей цифре, то есть 75 умножаем на 10 в первой степени получатся 750 В); k – допустимое отклонение номинального напряжения, которое равно 10 % в любую сторону (l – 15%, M – 20%, P – 25 %).

  Как выбрать пуско-зарядное устройство для аккумулятора автомобиля?

Основными характеристиками варисторов являются следующие параметры:

Классификационное напряжение – напряжение при определенных значениях тока, протекающего через варистор (обычно данное значение составляет 1 мА). Этот параметр является условным и не влияет на выбор устройства;

Максимально допустимое напряжение – диапазон напряжения (среднеквадратичное или действующее значение), при котором варистор начинает понижать свое сопротивление;

Максимальная энергия поглощения – характеристика, показывающая значение энергии, которую варистор рассеивает и не выходит из строя при воздействии одиночного импульса (измеряется в Джоулях);

Максимальный импульсный ток – нормирует время нарастания и длительность действия импульса тока (измеряется в Амперах);

Ёмкость – очень важный параметр, который измеряется при закрытом состоянии и заданной частоте (падает до нуля, если к варистору приложен большой ток);

Допустимое отклонение – отклонение от номинальной разности потенциалов в обе стороны (указывается в процентах).

Время срабатывания – промежуток времени, за который варистор переходит из закрытого состояния в открытое (обычно несколько десятков наносекунд).

Принцип работы варистора

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.

Мастерам на все руки будет интересна статья со схемами терморегуляторов для самостоятельной сборки инкубаторов. 

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.

Маркировка конденсаторов импортного производства

Для обозначения импортных, а в последние годы и отечественных радиоэлементов приняты рекомендации стандарта IEC, согласно которому на корпусе радиоэлемента наносится кодовая маркировка из трех цифр. Первые две цифры кода обозначают емкость в пикофарадах, третья цифра – число нулей. Например, цифры 476 означают емкость 47000000 pF (47 μF). Если емкость меньше 1 pF, то первая цифра 0, а символ R ставится вместо запятой. Например, 0R5 – 0,5 pF.

Для высокоточных деталей применяется четырехзнаковая кодировка, где первые три знака определяют емкость, а четвертый – количество нулей. Обозначение допуска, напряжения и прочих характеристик определяется фирмой-производителем.

Применение варикапов

Пример схемы автоматической подстройки частоты гетеродина радиоприемника с использованием варикапа. У — усилительные каскады, Д — частотный дискриминатор.

Варикапы применяются для перестройки частоты генераторов, управляемых напряжением в синтезаторах частоты и генераторах качающейся частоты, настройки частотноизбирательных цепей с управлением напряжением, в системах автоматической подстройки частоты различных радиоприемных устройств, в параметрических усилителях, для умножения частоты в умножителях частоты, управляемых напряжением фазовращателях и других.

Полупроводниковый диод, принцип работы которого основан на использовании зависимости емкости электрического перехода от обратного напряжения, называют варикапом. Варикап представляет собой электрически управляемую емкость. Варикапы изготавливают на основе кремния и арсенида галлия. Емкость варикапов меняется в широких пределах, а ее зависимость от обратного напряжения различна для варикапов, изготовленных методом диффузии или методом вплавления примесей.

Варикап со структурой , эквивалентная схема и условное графическое обозначение варикапа

Обозначение и цветовая маркировка стабилитронов

Самый удобный вариант – когда маркировка стеклянных стабилитронов выполнена в виде цифры, означающей напряжение стабилизации. Оценить приблизительный максимальный рабочий ток можно по габаритам, и этих двух параметров хватит для многих случаев. Если потребуется знать более глубокие характеристики (динамическое сопротивление и т.п.), придется прибегнуть к помощи справочников.

Отечественные выводные металлостеклянные стабилитроны, как упоминалось выше, маркируются цветными кольцами.

Тип прибора	Метка в районе анода	Метка в районе катода
КС133А	голубая	белая
2С133А	белая	черная
КС139А	зеленая	белая
3С139А	зеленая	черная
КС147А	серая (синяя)	белая
2С147А	—	черная
КС156А	оранжевая	белая
2С156А	оранжевая	черная
КС168А	красная	белая
2С168А	красная	черная
КС175Ж	белая	—
КС182Ж	желтая	—
КС191Ж	красная	—

Импортные SMD-стабилитроны также могут иметь метку в районе катода. К сожалению, стандарта на цветовую маркировку нет. В большинстве случаев полоса на корпусе белая. Если позволяют размеры, производитель может нанести на корпус напряжение стабилизации в вольтах (в лучшем случае). Встречается и символьная маркировка типов «зенеров», но она может отличаться от производителя к производителю. Для стабилитронов производства Mouser серий BZX884S и BZT52 в пластмассовом корпусе символьные обозначения типов приведены в таблице.

Тип прибора	Uстабилизации, В	Обозначение
BZX884S-XXX (корпус SOD882)
B2V4 2A	2,4	2A
B15	15	2U
C2V4	2,4	4K
C15	15	4C
B2V7	2,7	2B
B16	16	2V
C2V7	2,7	4L
C16	16	4D
B3V0	3,0	2C
B18	18	2W
C3V0	3,0	4R
C18	18	4E
B3V3	3,3	2D
B20		2X
C3V3	3,3	4S
C20	20	4F
B3V6	3,6	2E
B22	22	2Y
C3V6	3,6	4T
C22	22	4G
B3V9	3,9	2F
B24	24	2Z
C3V9	3,9	4U
C24	24	4H
B4V3	4,3	2G
B27	27	3A
C4V3	4,3	4U
C27	27	4J
B4V7	4,7	2H
B30	30	3B
C4V7	4,7	4Y
C30	30	4M
B5V1	5,1	2J
B33	33	3C
C5V1	5,1	5B
C33	33	4N
B5V6	5,6	2K
B36	36	3D
C5V6	5,6	5C
C36	36	4P
B6V2	6,2	2L
B39	39	3E
C6V2	6,2	5F
C39	39	4Q
B6V8	6,8	N3
B43	43	3F
C6V8	6,8	5G
C43	43	4V
B7V5	7,5	2M
B47	47	3G
C7V5	7,5	5J
C47	47	4W
B8V2	8,2	2N
B51	51	3H
C8V2	8,2	5K
BZT52-XXX (корпус SOD-123)
C2V4	2,4	W1
C6V2	6,2	WB
C2V7	2,7	W2
C3V0	3,0	W3
C3V3	3,3	W4
C3V6	3,6	W5
C3V9	3,9	W6
C4V3	4,6	W7
C4V7	4,7	W8
C5V1	5,1	W9
C5V6	5,6	WA

У других производителей коды могут совпадать с приведенными, а могут не совпадать. Единого стандарта, как и для обычных диодов, не существует.