Принцип работы варистора в электрической цепи: принцип работы, типы и применение

Что такое Варистор

Варисторы – радиокомпоненты, защищающие устройства с питанием от электросети 220 В, от скачков напряжения, источником которых могут быть генераторы, двигатели, реле, трансформаторы большой мощности, перенапряжения вызванные близкими ударами молнии. Давайте рассмотрим их устройство, принцип работы, производственный процесс, параметры и основные принципы выбора в схемах.

Функция варисторов

Способностью защищать схемы от перенапряжений варисторы обязаны нелинейному характеру их вольт-амперных характеристик. На практике это означает, что в области малых напряжений сопротивление этих компонентов поддерживается на уровне до килоом, а следовательно ток, протекающий через них, составляет порядка микроампер.

При более высоком напряжении ток начинает быстро повышаться. Если напряжение продолжает расти, варистор насыщается и его сопротивление становится на уровне нескольких Ом. Благодаря этому после превышения порогового напряжения подавляются перенапряжения, проводя ток очень большой силы, в то время как при нормальной работе защищаемой цепи они остаются фактически отключенными.

На рисунке показаны структура и условное обозначение варисторов. Это элементы изготовленные из зерен оксида цинка (ZnO) с добавлением других материалов, обычно оксидов висмута, кобальта или магния.

Как делают варисторы

Производство варисторов представляет собой многоэтапный процесс.

1. Первым этапом будет предварительная подготовка материалов – зерен ZnO и других оксидов металлов (точный состав в силу его решающего значения для свойств конечного продукта обычно остается секретом производителя). На этом этапе они подлежат контролю качества. Затем их измельчают и смешивают между собой. Для получения однородной смеси требуется даже несколько часов.
2. Следующий этап грануляция – для объединения измельченных материалов в более крупные структуры в них добавляют связующее. Далее их глажение. Для этого гранулированный порошок помещают в штампы, где под давлением пресса формуют в диски.
3. Следующим этапом является обработка этих дисков. Его первая фаза заключается в испарении связующего. Затем их обжигают при строго контролируемой температуре, обычно превышающей +1000 °С, в течение определенного периода времени, пока они не приобретут требуемые им электрические свойства. Параметры процесса обжига, как и состав обжигаемой смеси, обычно изготовитель держит в секрете.
4. Металлизация, лакировка, маркировка. Здесь стоит пояснить, что требуемые электрические свойства варисторов достигаются за счет образования стыков на границе между зернами ZnO. Другие материалы, входящие в состав прессованной и обожженной смеси, не только являются наполнителями между зернами ZnO, но и влияют на их рост при обжиге дисков.
5. Затем диски варисторов металлизируются с обеих сторон. Электрические контакты обычно изготавливаются трафаретной печатью из пасты на основе серебра. В каждой партии периодически проводятся визуальные осмотры и проверяется паяемость контактов. Затем к металлизации припаиваются выводы — в рамках контроля качества выборочно проверяется их прочность.
6. На следующем этапе варисторы покрывают погружением в бак эпоксидного лака – обычно наносится несколько слоев.
7. Наконец, проводится окончательная проверка качества электрических параметров. Проходящие через него варисторы маркируются, например, лазером.

Выбор варистора для схемы

Электрические свойства варисторов характеризуются рядом параметров:

• максимальное длительное напряжение на клеммах варистора (действующее или постоянное),
• номинальное напряжение, возникающее на варисторе при протекании через него тока силой 1 мА (номинальное напряжение это точка на вольтамперной характеристике варисторов, позволяющая сравнивать разные модели между собой),
• максимальная интенсивность броска тока,
• напряжение на варисторе при скачке тока,
• максимально допустимая энергия импульса тока 10 мкс/1000 мкс, что не изменит номинальное напряжение варистора более чем на 10 %.

Варистор, выбранный не в соответствии с требованиями схемы, не будет выполнять свою функцию должным образом, поэтому несмотря на его наличие, чувствительные электронные компоненты в плохо защищенной цепи могут быть повреждены или разрушены. Так что следует соблюдать несколько принципов:

1. Максимальное длительное напряжение на клеммах варистора лучше если оно не менее чем на 10 % превышает максимальное напряжение, присутствующее в защищаемой цепи при нормальных условиях эксплуатации. В противном случае элемент будет изнашиваться слишком быстро.
2. Надо знать какие броски тока можно ожидать в данной цепи и, следовательно, каким видам перенапряжений она может подвергаться. Важны не только величина и продолжительность, но и количество бросков тока. Эффективность защиты, обеспечиваемой варистором, также должна соответствовать требованиям всех стандартов безопасности, которые охватывают устройство.

Итого, варисторы являются популярными защитными элементами по нескольким причинам. Прежде всего они ценятся за эффективность, себестоимость производства достаточно низкая. Кроме того, их можно использовать в очень широком диапазоне напряжений до сотен киловольт.

И в завершение показаны варисторы в качестве защиты а) источника питания и б) тиристорного моста.

Маркировка конечно немного отличается у разных производителей, поэтому просто приведём типовой пример в таблице выше.

Ограничитель перенапряжения ОПН-0,22

Ограничитель перенапряжения ОПН-0,22 предназначен для защиты сетей на класс напряжения 0,22 кВ от грозовых и коммутационных резких повышений напряжений.

Конструкция и принцип работы

Ограничитель перенапряжений ОПН-0,22 состоит из таких частей как: варистор, электроды, выводы, полимерная изоляция.

Основной деталью ограничителя перенапряжений является варистор. За счет его нелинейности, ограничитель перенапряжений подключается к проводу и заземлению напрямую, без дополнительных элементов замыкания и размыкания электрической цепи.

Электроды ограничителя перенапряжений представлены в виде двух алюминиевых шайб сверху и снизу варистора. В этих шайбах предусмотрены отверстия для вкручивания шпилек, которые предназначены для крепления ограничителя перенапряжений к токоведущему проводу и заземлению.

При появлении в сети перенапряжений естественного или коммутационного происхождения варистор, за счет своей нелинейности резко меняет свое сопротивление на нулевое, что позволяет перенаправить разрушающий поток электроэнергии на землю. После воздействия перенапряжений на ограничитель сопротивление варистора возрастает, что исключает возможность замыкания линии на землю. Для токов промышленной частоты варистор является изоляцией.

Ограничитель перенапряжений ОПН-0,22 отличается от разрядников вентильных по конструкции и по принципу действия. В разряднике вентильном в конструкции присутствует искровой промежуток, в котором гасится дуга остающегося напряжения, а рабочий резистор пропускает через себя ток промышленной частоты на землю. Рабочий резистор при длительном воздействии токов промышленной частоты начинает менять свою вольтамперную характеристику, что может плохо отразится на работе самого разрядника при перенапряжении. Искровой промежуток разрядника также является изолятором между рабочим резистором и воздушной линией электропередач.

Конструкция ограничителя перенапряженийпроще, чем разрядника, поэтому его более целесообразно использовать для защиты от перенапряжений.

Если параллельно сети присоединены прибора, то нет необходимости в отключении от сети потребителей электроэнергии, так как на них не воздействуют разрушающие напряжения.

Условия транспортирования

Транспортирование ограничителей перенапряжений производится в упаковке любым видом крытого транспорта. Наиболее распространенный способ транспортирования аппаратов – автомобильный транспорт, но возможны и другие способы транспортирования, при которых сохраняется целостность упаковки и аппаратов.

Требования безопасности при установке

К установке ограничителей перенапряжений ОПН-0,22 допускаются только лица электротехнического персонала с группой электробезопасности до и выше 1000 В. Если человек, который будет производить установку ограничителей перенапряжений выучил конструкцию и принцип работы аппаратов и ознакомился с руководством по эксплуатации, то его можно спокойно допускать к монтажу ограничителей.

Перед монтажом ограничителей преренапряжений необходимо убедится в том, что по проводам, к которым будет присоединяться верхний вывод, не протекает электрический ток.

Работы должны производится в соответствии с правилами безопасной эксплуатации электроустановок потребителей. Монтаж производится в спецодежде, резиновых диэлектрических ботах, диэлектрических перчатках, с помощью инструмента с изолированными рукоятками.

Хранения

Ограничители перенапряжений ОПН-0,22 необходимо хранить в упаковке в помещениях, где температура и влажность не сильно отличаются от колебаний температуры окружающей среды на улице или под навесом. Температура окружающего воздуха должна быть в пределах от -50 до +50ºС. Допускается понижение температуры до -60ºС. При хранении ограничителей перенапряжений ОПН-0,22 подвергаются консервации выводы смазкой ЦИАТИМ. Для длительного хранения выводы должны подвергаться переконсервации раз в два года.

Гарантия

Ограничитель перенапряжений ОПН-0,22 должен прослужить без отказов 30 лет – это его срок службы. Гарантия составляет 3 года со дня ввода в эксплуатацию, но не более 5 лет со дня отгрузки.

Если на протяжении срока гарантии ограничители перенапряжений, при периодических испытаниях и осмотрах выявлено, что аппарат не рабочий, мы готовы его заменить на новый. Транспортные расходы, связанные с пересылкой ограничителей перенапряжений мы готовы взять на себя. По истечению ресурса службы утилизируются в общем порядке, так как материалы, из которых изготовлены аппараты опасности для жизни людей и окружающей среды не представляют.

Варистор | Принцип работы | Типы | Металлооксидный варистор

Варистор:

Варистор используется для защиты полупроводника от перенапряжения. В то же время он играет важную роль в передаче высокого напряжения в электротехнике, защищает высоковольтное оборудование от перенапряжения и перенапряжения. Это два терминала, твердотельное полупроводниковое устройство.

Что такое варистор (принцип работы варистора):

Используемые стандартные изоляционные материалы . ..

Пожалуйста, включите JavaScript

Стандартные изоляционные материалы, используемые в электротехнике.

Варистор не что иное, как переменный резистор. Из переменной => вари + резистор => стор = варистор. Они не похожи на омические резисторы, такие как переменный резистор или потенциометр; они неомические резисторы. Омический резистор => резистор должен подчиняться закону Ома, неомический резистор => резистор не подчиняется закону Ома. Другими словами, они называются нелинейными резисторами или резисторами, зависящими от напряжения, VDR.

Основное различие между резистором и варистором заключается в том, что сопротивление резистора можно изменять только вручную, а сопротивление варистора можно изменять, изменяя приложенное напряжение. Работа варистора аналогична работе диода PN для обратного смещения.

Типы варисторов:

• Металлооксидный варистор
• Варистор из карбида кремния

Для этого мы используем металлооксидный варистор MOV, который является наиболее распространенным типом варистора. Этот тип содержит керамическую массу из зерен оксида цинка в матрице из оксидов других металлов (таких как небольшие количества висмута, кобальта, марганца), зажатых между двумя металлическими пластинами (электродами). Граница между каждым зерном и его соседом образует диодный переход, точно так же, как последовательно соединенные диоды. В нормальных условиях переход варистора не проводит ток, но когда мы увеличиваем напряжение выше обратного напряжения пробоя, переход диода начинает проводить ток.

[wp_ad_camp_2]

Внешний вид варистора:

На самом деле, варистор и керамический конденсатор выглядят одинаково в электронной схеме. Но функционально конденсатор не защищает цепь от переходных перенапряжений, а варистор защищает. Одним из наиболее распространенных источников переходных процессов напряжения являются индуктивные нагрузки, такие как асинхронные двигатели, токи намагничивания трансформаторов, устройства переключения двигателей постоянного тока и скачки напряжения при включении цепей люминесцентного освещения или другие скачки напряжения питания; они создают переходное напряжение V, равное L(di/dt).

Электрические характеристики варистора:

Возьмем статическое сопротивление варистора:

См. график варистора, сопротивление которого уменьшается с увеличением напряжения, но по закону Ома ВАХ постоянного резистора всегда прямая линия. Следовательно, протекающий ток прямо пропорционален разности потенциалов между резисторами.

Но что касается варистора, вольт-амперная характеристика не является прямолинейной. В некоторых случаях (0-200 вольт) варистор имеет высокое сопротивление, как правило, разомкнутой цепи, поскольку чистый ток, протекающий через варистор, равен нулю. Далее, когда мы увеличиваем напряжение на варисторе (от 200 до 250 вольт), то он начинает проводить очень мало микроампер, это ничтожно мало.

В точке 250 Вольт варистор пропускает 1 мА. Это также называется номинальным напряжением или напряжением фиксации варистора. Производители обычно оценивают варистор по этому значению. Если приложенное напряжение превышает номинальное напряжение, варистор допускает большой ток для увеличения небольшого напряжения. При этом переходное напряжение снижается ниже номинального напряжения, тогда варистор увеличивает сопротивление.

[wp_ad_camp_2]

Эффект емкости в варисторе:

Как мы знаем, варистор обычно подключается между более высоким потенциалом и более низким потенциалом, а проводящая область действует как диэлектрическая среда. Эти устройства действуют как параллельная емкость. Каждый полупроводниковый варистор имеет значение емкости, которое напрямую зависит от его площади и обратно пропорционально его толщине.

При постоянном токе варистор не влияет на эффект емкости. Так как конденсатор действует как чистая разомкнутая цепь (Xc=максимум) для источника постоянного тока. В то же время, когда мы увеличиваем приложенное напряжение больше, чем напряжение фиксации, варистор работает нормально.

В цепи переменного тока емкостное реактивное сопротивление зависит от используемой частоты источника (Xc=1/2πfC). Емкостный ток Ic= Vapplied/Xc. Поскольку увеличение частоты источника вызывает увеличение тока утечки. Поэтому при проектировании варистора для цепей переменного тока необходимо учитывать влияние частоты.

Применение варистора:

• Защита источника питания
• ЧРП
• Ограничитель перенапряжения при переходных процессах TVSS
• Защита электронного оборудования
• Линия передачи

Авторы изображений:

• https://www.electronics-tutorials.ws

Устройство, принцип действия и назначение

В электронике можно выделить группу компонентов, задачей которых является ограничение скачков напряжения. Одним из таких элементов является варистор. Чаще всего этот блок можно встретить в большинстве хороших блоков питания. В этой статье мы поговорим о том, как работают варисторы и где.

• Принцип действия
• Устройство
• основные параметры
• Маркировка и выбор варистора
• Бытовое использование

Принцип действия

Варистор — полупроводниковый прибор с симметричной нелинейной вольт-амперной характеристикой. По его форме можно сделать вывод, что варистор работает как в переменном, так и в постоянном токе. Рассмотрим его более подробно.

В нормальном состоянии ток через варистор очень мал, это называется током утечки. Его можно рассматривать как диэлектрический компонент с определенной электрической емкостью и можно сказать, 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 схемах напоминает искровой разрядник, только в полупроводниковом приборе не возникает дуговой разряд, а изменяется его внутреннее сопротивление. При уменьшении сопротивления сила тока от единиц микроампер возрастает до сотен и тысяч ампер.

Условное графическое изображение варистора в схемах:

Обозначение элемента на схемах напоминает обычный резистор, но перечеркнуто по диагонали линией, на которой можно нанести букву У. Чтобы найти этот элемент на плате или в схеме, обратите внимание на подписи, чаще всего они указаны как РУ или ВА.

Внешний вид варистора:

Параллельно цепи установлен варистор для ее защиты. Поэтому при импульсе напряжения защищаемой цепи энергия не поступает в устройство, а рассеивается в виде тепла на варисторе. Если энергия импульса слишком высока, варистор сгорит. Но концепция выгорает размыто, есть два варианта развития. Либо варистор просто разорвется на части, либо его кристалл разрушится, а электроды замкнет накоротко. Это приведет к перегоранию дорожек и проводников, либо возникнет возгорание элементов корпуса и других деталей.

Во избежание этого перед варистором последовательно со всей цепью в сигнальном или питающем проводе устанавливается предохранитель. Тогда в случае сильного импульса напряжения и длительной работы или перегорания варистора сгорит и предохранитель, разорвав цепь.

Вкратце, зачем нужен такой компонент — его свойства защищают электрическую цепь от разрушительных перенапряжений, которые могут возникать как на информационных линиях, так и на электрических, например, при коммутации мощных электроприборов. Мы обсудим этот вопрос чуть ниже.

Устройство

Варисторы устроены довольно просто — внутри находится кристалл полупроводникового материала, чаще всего это оксид цинка (ZiO) или карбид кремния (SiC). Прессованный порошок этих материалов подвергается высокотемпературной обработке (запеканию) и покрывается диэлектрической оболочкой. Существуют как варианты с осевыми выводами для монтажа в отверстия на печатной плате, так и в SMD корпусе.

На приведенном ниже рисунке четко показана внутренняя структура варистора:

основные параметры

Для правильного выбора варистора необходимо знать его основные технические характеристики:

1. Классификация напряжения, может обозначаться как Un. Это такое напряжение, при котором через варистор начинает протекать ток в 1 мА, при дальнейшем превышении ток нарастает лавинообразно. Этот параметр указан в маркировке варистора.
2. Номинальная рассеиваемая мощность P. Определяет, сколько элемент может рассеивать при сохранении своих характеристик.
3. Максимальная энергия одиночного импульса Вт. Измеряется в джоулях.
4. Максимальный ток импульса Ipp. При этом фронт нарастает в течение 8 мкс, а его общая длительность составляет 20 мкс.
5. Closed Capacity — Co. Так как в закрытом состоянии варистор является своего рода конденсатором, поскольку его электроды разделены непроводящим материалом, то он имеет определенную емкость. Это важно, когда устройство используется в высокочастотных цепях.

Различают также два типа напряжений:

• Um ~ максимальная эффективная или среднеквадратичная переменная;
• Um = максимальная константа.

Маркировка и подбор варистора

На практике, например, при ремонте электронного устройства приходится работать с маркировкой варистора, обычно она изготавливается в виде:

20Д 471К

Что это такое и Как понять это? Первые 20 символов D — это диаметр. Чем он больше и толще, тем больше энергии может рассеять варистор. Далее 471 — классификационное напряжение.

Могут присутствовать другие дополнительные символы, обычно указывающие на производителя или характеристику компонента.

Теперь разберемся, как правильно подобрать варистор, чтобы он правильно выполнял свою функцию. Для выбора компонента нужно знать в схеме с каким напряжением и родом тока он будет работать. Например, можно считать, что для защиты устройств, работающих в цепи 220В, необходимо использовать варистор с классификационным напряжением несколько выше (чтобы он срабатывал при значительном превышении номинального значения), то есть 250- 260В. Это в корне неверно.

Дело в том, что в цепях переменного тока действующим значением является 220В. Если не вдаваться в подробности, то амплитуда синусоидального сигнала с корнем в 2 раза больше фактического значения, то есть в 1,41 раза. В результате амплитудное напряжение в наших розетках составляет 300-310 В.

240*1,1*1,41 = 372 В.

Где 1,1 — коэффициент запаса.

В таких расчетах элемент начнет работать при скачке текущего напряжения более 240 вольт, поэтому его классификационное напряжение должно быть не менее 370 вольт.

Ниже приведены типовые номиналы варисторов для сетей переменного тока напряжением:

• 100В (100~120) — 271к;
• 200В (180~220) — 431к;
• 240В (210~250) — 471к;
• 240В (240~265) — 511к.

Бытовое использование

Варисторы предназначены для защиты цепи при импульсах и перенапряжении на линии. Это свойство позволило рассматриваемым элементам найти свое применение в качестве защиты:

• линии связи;
• информационные входы электронных устройств;
• силовые цепи.

Большинство дешевых блоков питания не имеют защиты. Но в хороших моделях на входе установлены варисторы.

Кроме того, всем известно, что компьютер необходимо подключать к питанию через специальный удлинитель с кнопкой — сетевой фильтр. Он не только фильтрует помехи, варисторы также устанавливаются в обычных схемах фильтров.

Часто электрики рекомендуют защищать китайские светодиодные лампы установкой параллельно патрону варистора. Другие устройства также защищают, некоторые монтируют варистор в розетку или вилку для защиты подключенного оборудования.

Для защиты всей квартиры — можно установить варистор на дин-рейку, в хороших устройствах в корпусе стоят настоящие мощные варисторы диаметром с кулак. Примером такого устройства является СПЭ-1, что показано на фото ниже:

В заключение хотелось бы отметить, что назначение варистора – защита любой электрической цепи. Принцип работы основан на изменении сопротивления полупроводниковой структуры под действием высокого напряжения. Напряжение, при котором через элемент начинает протекать ток в 1 мА, называется классификацией. Это и диаметр элемента являются основными параметрами при выборе. Пожалуй, мы доходчиво объяснили, что такое варистор и зачем он нужен, задавайте вопросы в комментариях, если что-то не поняли.