Варисторы схема включения: Страница не найдена — 1000 полезных советов

Варисторы TMOV со встроенной тепловой защитой в цепях переменного напряжения

24 октября 2019

Быстрое срабатывание встроенного терморазмыкателя TMOV-варистора производства Littelfuse позволяет отключать его при более низких температурах, что уменьшает вероятность обугливания и задымления по сравнению со стандартным варистором MOV-типа. В схемах, где критично знать, сработал ли терморазмыкатель, можно применять варисторы iTMOV со светодиодной индикацией состояния.

Металл-оксидные варисторы (MOV-варисторы) используются для подавления выбросов напряжения во многих устройствах, например, в модулях защиты от перенапряжений и сетевых фильтрах (SPD-устройствах), источниках бесперебойного питания (ИБП), в тройниках и удлинителях, в электросчетчиках и так далее. Источниками выбросов напряжения могут стать молнии, коммутации индуктивной нагрузки или переключения конденсаторных батарей.

Иногда возможна ситуация, когда перенапряжение имеет не импульсный, а долговременный или постоянный характер. Если варистор будет долгое время находиться под таким напряжением при условии ограничения тока (как требует стандарт безопасности UL 1449), то он начнет разогреваться. Неограниченный разогрев может вызвать тепловой пробой и, как следствие, задымление и даже пожар. Чтобы устройство защиты соответствовало требованиям UL 1449, MOV-варистор должен иметь дополнительную защиту от таких катастрофических перегревов. До сих пор данная задача традиционно решалась с помощью термопредохранителей (TCO).

UL1449: Перенапряжения с ограничением тока

В США используется сетевое напряжение 120 В AC. Силовые линии 120 В AC работают с фазовым сдвигом напряжения 180° и обычно подключены к трансформатору со средней точкой (рисунок 1). Предположим, что в верхней цепи 120 В присутствует MOV-варистор с номинальным рабочим напряжением 150 В, а в нижней цепи 120 В имеется некоторая нагрузка. И MOV, и нагрузка подключены к средней точке трансформатора (цепь «ноль-заземление»). Если на центральном отводе трансформатора (X-X) произойдет разрыв, то нагрузка в нижней фазе будет ограничивать ток, и сетевой предохранитель может не сработать.

Рис. 1. Вариант аварийной ситуации, в которой MOV-варистор испытывает перенапряжение при одновременном ограничении тока

Рассмотренный вариант аварийной ситуации определен в стандарте UL 1449 (таблица 1). По этой причине во многих приложениях требуется, чтобы MOV-варисторы имели дополнительную тепловую защиту.

В таблице 1 представлены уровни испытательных напряжений для SPD-устройств с различным рейтингом напряжения. Испытательное напряжение последовательно прикладывается к каждой паре проводников, после чего подаются кратковременные импульсы тока 10 А для устройств Type 1 и Type 2, и 5 А, 2,5 А, 0,5 А и 0,125 А для устройств Type 3. Поскольку этот тест приводит к необратимым разрушениям, то для проверки устойчивости к каждому из пяти токов короткого замыкания потребуется пять устройств. Устройства должны находиться под напряжением в течение 7 часов либо до тех пор, пока ток или температура в устройстве не достигнут равновесия или пока SPD не отключится.

Таблица 1. Испытательные напряжения для различных устройств

Рейтинг устройства*	Подключение фаз	Тестовое напряжение**	Рейтинг напряжения проводящих линий, В
110…120 В	Однофазное	240	Все
110…120 В/220…240 В	Трансформатор со средней точкой	240	110…120
120 В/208 В	«Звезда»	208	120
220…240 В	Однофазное	415	Все
220…240 В/380…415 В	«Звезда»	415	220…240
240 В	«Треугольник»	240	120
254…277 В	Однофазное	480	Все
254…277 В/440…480 В	«Звезда»	480	254…277
480 В	«Треугольник»	480	254-277
347 В	Однофазное	600	Все
347 В/600 В	«Звезда»	600	347
Примечания: * – Под устройством понимается конечный продукт: источник бесперебойного питания, сетевой фильтр и так далее. ** – Для устройств, рейтинг которых не указан в данной таблице, в качестве тестового напряжения должно использоваться максимальное фазное напряжение или удвоенное напряжение между проводниками, при условии, что оно не превышает 1000 В.

Как показано на рисунке 1, при испытании устройств, работающих в стандартной сети 120 В AC, необходимо подавать испытательное напряжение 240 В AC на все пары проводников. В данном случае есть три пары: «фаза-ноль» (L-N), «фаза-заземление» (L-G) и «ноль-заземление» (N-G). Здесь стоит еще раз отметить, что испытательное напряжение 240 В AC выбрано потому что в США линии сети 120 В AC обычно подключены к центральному трансформатору 240 В со средней точкой. В таких случаях MOV-варисторы, как правило, выбираются исходя из номинального рабочего напряжения 130…150 В. При возникновении аварии они могут перегреваться с катастрофическими последствиями в виде задымления или пожара.

MOV-варисторы с тепловой защитой

На рисунке 2 представлена простейшая схема защиты от выбросов напряжения, обеспечивающая требования UL 1449 при возникновении постоянных перенапряжений в условиях ограничения тока. В данной схеме между всеми линиями включены MOV-варисторы (или несколько параллельных MOV-варисторов): L-N, L-G и N-G. Это обеспечивает максимальную защиту от помех, возникающих во время переходных процессов в сети. Обычный последовательный плавкий предохранитель используется для защиты от перегрузки по току. Как правило, номинальный ток этого предохранителя выше, чем амплитуда испытательного тока, согласно UL 1449. Таким образом, при проведении испытаний на соответствие стандарту UL 1449 предохранитель не будет разрывать цепь. По этой причине MOV-варисторы должны быть дополнительно защищены от термического разрушения. Для этого последовательно с каждым варистором включается термопредохранитель TCO. В большинстве случаев для защиты от перенапряжений используют дисковые варисторы с диаметром 14 или 20 мм.

Рис. 2. Типовая схема защиты от перенапряжений с дополнительными TCO

На рынке присутствуют термопредохранители TCO с различной температурой срабатывания. Важно понимать, что положение и ориентация TCO имеет огромное значение для обеспечения тепловой защиты MOV-варистора. Под действием постоянного перенапряжения MOV-варистор может быть пробит в случайной точке на диске, после чего начнет быстро нагреваться, если ток в цепи ограничен. Тепло передается от MOV-варистора к TCO с помощью излучения, конвекции и тепловой проводимости. Однако, как показывает практика, именно теплопроводность имеет решающее значение. Таким образом, расстояние и взаимное расположение источника тепла и TCO определяют скорость срабатывания терморазмыкателя. Считается, что наиболее эффективная тепловая связь присутствует между выводом варистора и изолированным выводом TCO. Механизмы передачи тепла с помощью конвекции и излучения оказываются эффективными только в том случае, если источник тепла находится в непосредственной близости от TCO. Несмотря на то, что проводимость является наиболее эффективным средством передачи тепла, в большинстве случаев MOV-варистор и TCO не находятся в непосредственном контакте. Выводы компонентов мешают размещению TCO достаточно близко от MOV, что ограничивает передачу тепла.

Пример взаимного расположения MOV и TCO показан на рисунке 3. Обратите внимание, что TCO не касается варистора.

Рис. 3. Взаимное расположение TCO и MOV (один из варисторов был удален, чтобы не мешать обзору)

Время срабатывания тепловой защиты может оказаться достаточно большим, если TCO размещен слишком далеко от MOV. В таких случаях при возникновении аварийной ситуации вполне вероятно обугливание варистора и реальная возможность пожара. Использование термоусадочных трубок или других теплопроводящих материалов позволяет увеличить эффективность тепловой связи, но с другой стороны, эти изделия сами достаточно горючи и могут только ухудшить ситуацию.

Несмотря на описанные недостатки, терморазмыкатели позволяют эффективно отключать MOV-варисторы от сети, тем самым предотвращая их тепловое разрушение. В то же время TCO оказываются не очень удобными компонентами с точки зрения монтажа на печатную плату. Из-за низких температур срабатывания пайка TCO должна выполняться крайне аккуратно. При ручной пайке жало паяльника не должно находиться в долгом контакте с выводами TCO. Иногда для отвода тепла от терморазмыкателя используют клипсы и плоскогубцы.

Так как TCO, используемые для защиты MOV-варисторов, обычно имеют невысокую температуру срабатывания, то их автоматизированный монтаж затруднен. При попытке пайки волной TCO срабатывают из-за перегрева в ванне с припоем. В большинстве случаев монтаж TCO оказывается преимущественно ручным процессом.

Компанией Littlefuse была разработана новая технология, которая, с одной стороны, позволяет обеспечить требования UL 1449, в том числе при испытаниях устойчивости к постоянным перенапряжениям в условиях ограничения тока, а с другой – лишена большинства недостатков, характерных для традиционных комбинированных схем MOV/TCO. Новые защитные компоненты TMOV представляют собой комбинацию из терморазмыкателя и MOV-варистора, объединенных в одном корпусе. В TMOV используется запатентованная технология, которая позволяет встраивать тепловой элемент непосредственно в MOV. В результате терморазмыкатель находится в прямом контакте с диском варистора, тем самым обеспечивая оптимальную теплопередачу. Так как эффективность передачи тепла оказывается высокой, то для защиты варистора может быть использован терморазмыкатель с более высокой температурой срабатывания. Это делает возможным использование автоматизированных технологий для монтажа TMOV, что существенно упрощает процесс сборки. Благодаря конструктивным особенностям, TMOV не уступают традиционным варисторам по основным параметрам: амплитуде пиковых токов, уровню рассеиваемой мощности, значениям напряжений ограничения и прочему, и при этом имеют встроенную тепловую защиту. Суть предлагаемого решения поясняется на рисунке 4.

Рис. 4. Схема защиты от перенапряжений, использующая новые варисторы TMOV со встроенной тепловой защитой

Сравнение методов тепловой защиты MOV-варисторов

TMOV-варисторы со встроенной тепловой защитой решают большую часть проблем, характерных для комбинации MOV/TCO. Использование встроенного терморазмыкателя, размещенного в центре диска MOV-варистора, обеспечивает несколько преимуществ:

• оптимизирует передачу тепла между диском MOV и терморазмыкателем, так как терморазмыкатель оказывается максимально близко к точке нагрева. Это значительно уменьшает время срабатывания;
• позволяет использовать терморазмыкатели с более высокой температурой срабатывания, чем у большинства TCO, притом, что сам терморазмыкатель оказывается защищен от внешних источников тепла.

Благодаря этому для монтажа TMOV-варисторов может использоваться пайка волной (подробнее об этом рассказывается в следующем разделе).

Чтобы сравнить время срабатывания TMOV-варисторов и комбинации MOV/TCO, были проведены испытания с привлечением стандартных MOV (серия UltraMOV 20 мм, 130 Vacrms), работающих в связке с TCO с различными температурами срабатывания (T_f), и TMOV со встроенной тепловой защитой (TMOV20R130, 20 мм, 130 Vacrms).

Все схемы подвергались одинаковому испытанию: к ним прикладывалось постоянное перенапряжение 240 В при ограничении тока 5 А. Как и ожидалось, у TCO с более высокой температурой T_f время срабатывания было выше (таблица 2). С другой стороны, при пайке TCO с температурой срабатывания 73°C было сложно избежать включения, несмотря на использование соответствующего радиатора. В таблице 3 представлены значения времени срабатывания для TMOV со встроенной тепловой защитой. Очевидно, что по этому показателю TMOV превзошли все комбинации MOV/TCO, принявшие участие в испытаниях.

Таблица 2. Время срабатывания тепловой защиты для различных комбинаций MOV/TCO при ограничении тока на уровне 5 А

Таблица 3. Время срабатывания тепловой защиты варисторов TMOV при ограничении тока на уровне 5 А

На рисунке 5 представлены временные диаграммы нагрева варисторов при проведении испытаний на устойчивость к постоянным перенапряжениям с ограничением тока UL 1449 (240 В rms, 5 А) для трех схем защиты:

• одиночный MOV – модель V20E130, 20 мм, 130 В ср.кв.;
• комбинация MOV/TCO – модель V20E130, 20 мм, 130 В ср.кв. и TCO с Tf = 94°C;
• варистор TMOV – модель TMOV20R130, 20 мм, 130 В ср.кв.

Рис. 5. Температура поверхности варисторов для различных схем защиты

На диаграммах показан характер изменения температуры поверхности варистора с течением времени для всех трех схем. Как видно из диаграммы, температура корпуса стандартного MOV-варистора без тепловой защиты будет расти до тех пор, пока варистор не загорится. В комбинации MOV/TCO варистор быстро нагревается до температуры 220°C, после чего срабатывает TCO. Варисторы TMOV со встроенной тепловой защитой отключаются значительно быстрее – срабатывание терморазмыкателя происходит при температуре около 150°C менее чем за 20 с. Обратите внимание, что температура варистора продолжает повышаться даже после срабатывания терморазмыкателей. Это связано с тем, что тепло передается от диска варистора наружу к эпоксидной заливке не мгновенно. Для того чтобы температура диска и заливки выровнялась, требуется некоторое время.

На рисунках 6а-6в показаны последствия перегрева варисторов для каждой из испытываемых схем защиты. На рисунке 6а показан результат перегрева стандартного MOV-варистора, на 6б изображено последствие перегрева MOV-варистора при использовании термопредохранителя TCO, рисунок 6в демонстрирует перегрев TMOV-варистора. Не сложно заметить, что в случае TMOV степень обугливания оказывается существенно ниже, чем при использовании одиночных варисторов или комбинации MOV / TCO.

Рис. 6. Результаты перегрева различных типов варисторов

Поскольку при производстве MOV- и TMOV-варисторов используются диски оксида цинка одинакового размера, то TMOV обеспечивают такой же уровень защиты от перенапряжений, что и MOV аналогичного размера, и соответствуют требованиям стандарта IEC 60950-1 (Приложение Q). Так как варисторы TMOV имеют встроенную защиту от перегрева, то при их использовании не требуется каких-либо внешних терморазмыкателей, которые необходимы при работе с обычными MOV-варисторами, согласно требованию пункта 1.5.9.2, МЭК 60950-1.

Использование пайки волной при монтаже TMOV

На рисунке 7 показан температурный профиль пайки волной, который можно использовать при монтаже TMOV-варисторов. Температурные показатели этого профиля являются типовыми для данного способа автоматизированного монтажа. В то же время допустимый температурный профиль для монтажа TCO оказывается существенно ниже. Фактически профиль, представленный для TCO, соответствует предельному варианту, при котором TCO выходит из строя (срабатывает). Это говорит о том, что для монтажа TCO (даже с высоким значением T_f, например, 142°C) не может использоваться пайка волной.

Уход от ручной пайки TCO позволяет обеспечить существенное снижение стоимости изделия.

Рис. 7. Температурные профили пайки волной для варистора TMOV и TCO (T_f = 142°C)

Надежное размыкание тепловой защиты

Срабатывание терморазмыкателя происходит из-за пробоя и дальнейшего нагрева диска варистора. После того как встроенный терморазмыкатель в TMOV сработает, важно, чтобы он оставался разомкнутым, а его повторные коммутации были исключены.

Чтобы проверить надежность размыкания цепи при срабатывании терморазмыкателя, было проведено испытание, состоящее из нескольких этапов. На первом этапе TMOV-варисторы подвергались воздействию перенапряжения с ограничением тока, в результате чего срабатывала тепловая защита. На втором этапе на выводы варисторов подавались импульсы 6 кВ, 3 кА (8×20 мкс). На третьем этапе на выводы TMOV-варисторов подавалось постоянное напряжение смещения, и при этом выполнялось измерение токов утечки. Наличие высокого тока утечки сигнализировало бы о ненадежном срабатывании терморазмыкателя или о его возвращении в замкнутое состояние. В ходе испытаний значительных токов утечки обнаружено не было. На заключительном, четвертом этапе TMOV-варисторы несколько часов выдерживались под напряжением 1000 В (ср.кв.) с параллельным контролем тока утечки. И на этот раз значительных токов утечки обнаружено не было, что свидетельствует о надежной работе терморазмыкателя.

Индикация срабатывания тепловой защиты: iTMOV-варисторы

Мы тщательно проанализировали преимущества TMOV-варисторов, но остается один вопрос: как узнать, что терморазмыкатель сработал?

При работе в диапазоне рабочих напряжений сопротивление ТMOV-варистора остается чрезвычайно высоким. Таким образом, сложно понять обусловлено ли высокое сопротивление собственным сопротивлением варистора или высокое сопротивление является следствием срабатывания тепловой защиты. Если данный вопрос является критичным, следует обратить свое внимание на серию варисторов iTMOV с дополнительным выводом индикации.

Варистор iTMOV имеет дополнительный, третий индикаторный вывод, который подключен к точке соединения терморазмыкателя и варистора. Доступ к этой точке существенно упрощает индикацию состояния терморазмыкателя. На рисунке 8 показана типовая схема включения iTMOV.

На рисунке 8 показано, как варистор iTMOV используется для защиты устройства, питающегося от бытовой сети 120 В AC в США. Светодиод включен между индикаторным выводом и нулем. Последовательный резистор R1 используется для задания тока через светодиод. В данном случае был выбран резистор с сопротивлением 47 кОм и предельной мощностью 0,5 Вт. Расчет параметров резистора должен производиться с учетом характеристик используемого светодиода и параметров сети.

Рис. 8. Схема индикации состояния iTMOV (светодиод нормально включен)

Как правило, светодиоды не допускают подачи обратного напряжения, поэтому для обрезания отрицательной полуволны обычно используется дополнительный выпрямительный диод D1. Кроме того, для защиты от перегрузки по току необходим предохранитель. В данном случае это Littelfuse 3AG, 10 A (313010). Выбор номинала предохранителя должен производиться, исходя из характеристик нагрузки.

В нормальных условиях светодиод находится в нормально включенном состоянии (светит). Ток течет от фазы к нулю через терморазмыкатель и индикаторную цепь. Если терморазмыкатель срабатывает, цепь размыкается, а светодиод выключается. Также светодиод выключится, если сгорит предохранитель.

Варистор iTMOV можно использовать для индикации состояния нескольких параллельно включенных TMOV-варисторов. Это связано с тем, что после отключения одного варистора, как правило, происходит отключение и остальных.

Заключение

Стандарт UL 1449 был создан для обеспечения защиты конечных устройств и пользователей от аварийных ситуаций, связанных с обрывом нуля. В таких случаях MOV-варисторы оказываются под постоянным перенапряжением в условиях ограничения тока. Перенапряжение может привести к неконтролируемому разогреву варистора и его тепловому пробою.

Существует несколько способов защиты MOV-варисторов от теплового разрушения. Чаще всего для этих целей используют термопредохранители TCO. Несмотря на то, что TCO в большинстве случаев справляются с поставленной задачей и предотвращают катастрофический перегрев варистора, у них есть значительные ограничения. При выполнении испытаний даже при срабатывании термопредохранителя MOV-варистор перегревается, из-за чего наблюдается задымление и обугливание. Еще одним недостатком TCO является сложность автоматизированного монтажа, так как в большинстве случаев пайка волной оказывается невозможна.

Новые TMOV-варисторы со встроенной тепловой защитой позволяют сократить количество компонентов, сэкономить место на плате и при этом обеспечить выполнение требований UL 1449. TMOV-варисторы обеспечивают повышенную эффективность по сравнению с другими методами защиты при воздействии постоянных перенапряжений с ограничением тока. Быстрое срабатывание встроенного терморазмыкателя TMOV позволяет отключать варистор при более низких температурах, что уменьшает вероятность обугливания и задымления. Остальные характеристики TMOV-варисторов оказываются такими же, как и у стандартных MOV-варисторов, включая пиковый импульсный ток, номинальную мощность и напряжение ограничения. В отличие от TCO, при монтаже TMOV-варисторов можно избежать ручных операций и использовать пайку волной. Это приводит к снижению стоимости производства и упрощению процесса сборки.

Важные примечания

Стоит отметить, что все представленные данные были получены при испытании ограниченной выборки компонентов. Результаты могут отличаться из-за разброса электрических и механических параметров. При выполнении проектирования разработчики должны учитывать разброс характеристик компонентов и закладывать соответствующие допуски.

В некоторых случаях TMOV-варисторы могут существенно нагреваться перед срабатыванием тепловой защиты. Конструкция конечного устройства должна учитывать эту особенность.

Перед выпуском на рынок рекомендуется выполнять тщательное тестирование устройств.

Литература

1. Surge Protective Devices – UL1449, April 19, 2010
2. Littelfuse Datasheet, Thermally Protected Metal Oxide Varistor (TMOV Varistor), March 2001
3. TMOV®25S Varistor Series
4. TMOV®34S Varistor Series
5. Paul Traynham and Pat Bellew, Using Thermally Protected MOVs in TVSS or Power Supply Applications, Power Systems World, Intertec Exhibition Proceedings, September 2001
6. Information Technology Equipment – Safety, IEC60950-1, Amendment 1, December 2009

Дополнительные материалы

Оригинал статьи

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

Варистор принцип работы и устройство, проверить варистор

Как работает варистор?

Принцип работы варистора достаточно прост. Рассмотрим ситуацию, когда варистор защищает от перенапряжения. В схему он включается параллельно защищаемой цепи. При нормальном режиме работы он имеет высокое сопротивление и протекающий через него ток очень мал. Он имеется свойства диэлектрика и не оказывает никакого влияния на работу схемы. При возникновении перенапряжения, варистор моментально меняет свое сопротивление с очень высокого, до очень низкого и шунтирует нагрузку. Известно, что ток идет по пути наименьшего сопротивления, поэтому варистор поглощает это перенапряжение и рассеивает эту энергию в атмосферу, в виде тепла. После того, как напряжение стабилизируется, сопротивление снова возрастает и варистор “запирается”. Надеюсь даже чайник понял принцип работы. Если что-то не ясно, рекомендуется ознакомиться с видео.

Если напряжение будет выше того, которое может выдержать и рассеять варистор, то он выйдет из строя. Корпус его треснет либо развалиться на части. В некоторых случаях он может взорваться. Поэтому, в целях защиты основной схемы, рекомендуется ограждать его от основных компонентов защитным экраном либо монтировать его вне корпуса, особенно для высоковольтных схем. Как проверить варистор мультиметром – узнаете тут.

Как говорилось выше, варистор подключается параллельно нагрузке:

• В цепях переменного тока – фаза – фаза, фаза – ноль;
• В цепях постоянного тока – плюс и минус.

Так как варистор закорачивает цепь питания, перед ним всегда монтируется плавкий предохранитель. Несколько примеров схем включения варистора:

Назначение и характеристики

Варистор — это электронный прибор, имеющий два контакта и обладающий нелинейно-симметричной вольт-амперной характеристикой. Термин «варистор» произошёл от латинских слов variable — «изменяемый» и resisto — «резистор». По своей сути он является полупроводниковым резистором, способным изменять своё сопротивление в зависимости от приложенного к его выводам напряжения.

Изготавливаются такого типа резисторы путём спекания при высокой температуре полупроводника и связующего материала. В качестве полупроводника используется карбид кремния, находящийся в порошкообразном состоянии, или оксид цинка, а связующего вещества — стекло, лак, смола. Полученный после спекания элемент подвергается металлизации с дальнейшим формированием выводов. По своей конструкции приборы выполняются в форме, похожей на диск, таблетку, цилиндр, или плёночного вида.

Обладая свойством резко уменьшать своё сопротивление при возникновении на его выводах определённого напряжения, варистор применяется в электронных схемах в качестве защитного элемента. При возникновении броска напряжения определённой величины полупроводниковый прибор мгновенно снижает своё внутреннее сопротивление до десятков Ом, тем самым практически закорачивая цепь, не давая импульсу повредить остальные элементы схемы. Поэтому важным параметром варистора является значение напряжения, при котором наступает пробой устройства.

Основные параметры

Перед тем как проверить варистор на исправность, необходимо понимать не только принцип его действия, но и знать, какими характеристиками он обладает. Как и любой электронный элемент, варистор имеет ряд характеристик, которые позволяют его использовать в различных схемах. Основным параметром является вольт-амперная характеристика (ВАХ). Она наглядно показывает, как меняется ток при той или иной величине напряжения. Изучая ВАХ, можно увидеть что варистор, обладая симметрично-двунаправленной характеристикой, работает как в прямой, так и обратной зоне синусоиды, напоминая стабилитрон.

Кроме ВАХ, при исследовании варистора отмечаются следующие характеристики:

• Um — наибольшее допустимое рабочее напряжение для тока переменной или постоянной величины.
• P — мощность, которую может рассеять на себе элемент без ухудшения своих параметров.
• W — допустимая энергия в джоулях, которую может поглотить радиоэлемент при воздействии одиночного импульса.
• Ipp — наибольшее значение импульсного тока, для которого определена форма импульса.
• Co — ёмкость, значение которой измеряется у варистора в нормальном состоянии.

Виды устройств

Разнообразие встречаемых видов варисторов обусловлено тем, что производители стремятся в первую очередь повысить их быстродействие. Поэтому и используются SMD технологии безвыводного монтажа, что позволяет добиваться малого времени срабатывания при скачке входного напряжения. Типовое время срабатывания элементов с выводами находится в пределе 15−25 наносекунд, а SMD — 0,5 наносекунд.

Существует класс низковольтных варисторов и высоковольтных. Первые выпускаются с рабочим напряжением до двухсот вольт и силой тока до одного ампера. Вторые же имеют рабочее напряжение до двадцати киловольт. Маломощные элементы используются в качестве защиты от скачка напряжения, возникающего в бытовой сети, а мощные применяются на трансформаторных подстанциях и в системах защиты от грозы.

Маркировка элементов

Независимо от производителя существует стандарт маркировки варисторов. На сам элемент принято наносить цифробуквенный код, в котором зашифровываются основные параметры. Например, для дискового типа это обозначение выглядит как S6K210, где:

• S — материал, из которого изготовлен варистор;
• 6 — диаметр корпуса элемента, указывается в миллиметрах;
• K — величина допуска отклонения;
• 210 — значение рабочего напряжения, выраженное в вольтах.

На схемах радиоэлемент графически обозначается как перечёркнутый прямоугольник. На перечёркивающей палочке делается полочка, над которой ставится буква U. Подписывается на схемах элемент латинскими буквами RU.

NTC

Терморезисторы NTC — изделия, имеющие отрицательный температурный коэффициент. Их особенность — повышенная чувствительность, высокий температурный коэффициент (на один или два порядка выше, чем у металла), небольшие габариты и широкий температурный диапазон.

Полупроводники NTC удобны в применении, стабильны в работе и способны выдерживать большую перегрузку.

Особенность NTC в том, что их сопротивление увеличивается при снижении температуры. И наоборот, если t снижается, параметр R растет. При изготовлении таких деталей применяются полупроводники.

Принцип действия прост. При повышении температуры число носителей заряда резко растет, и электроны направляются в зону проводимости. При изготовлении детали, кроме полупроводников, могут применяться и переходные металлы.

При анализе NTC нужно учесть бета-коэффициент. Он важен в случае, если изделие применяется при измерении температуры, для усреднения графика и вычислений с помощью микроконтроллеров.

Как правило, термисторы NTC применяются в температурном диапазоне от 25 до 200 градусов. Следовательно, их можно использовать для измерений в указанном пределе.

Отдельного нужно рассмотреть сфера их использования. Такие детали имеют небольшую цену и полезны для ограничения пусковых токов при старте электрических двигателей, для защиты Li аккумуляторов, снижения зарядных токов блока питания.

Терморезистор NTC также используется в автомобиле — датчик, применяемый для определения точки отключения и включения климат-контроля в машине.

Еще один способ применения — контроль температуры двигателя. В случае превышения безопасного предела, подается команда на реле, а дальше двигатель глушится.

Не менее важный элемент — датчик пожара, определяющий рост температуры и запускающий сигнализацию.

Терморезисторы NTC обозначаются буквами или имеют цветную маркировку в виде полос, колец или других обозначений. Варианты маркировки зависят от производителя, типа изделия и других параметров.

Пример обозначения 5D-20, где первая цифра показывает сопротивление терморезистора при 25 градусах Цельсия, а расположенная рядом с ней цифра (20) — диаметр.

Чем выше этот параметр, тем большую мощность рассеивания имеет изделие. Чтобы не ошибиться в маркировке, рекомендуется использовать официальную документацию.

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.

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 ограничителя напряжения 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.

Маркировка

Мы уже достаточно внимания уделили изучению того, чем является варистор. Маркировка этого прибора сложна, и поэтому при приобретении устройства о нём нельзя судить по данным, размещенным на корпусе. Рассмотрим на вот таком примере: есть CNR-06D400K. CNR – это название типа, в данном случае перед нами металлооксидный варистор. 06 – он имеет диаметр в 6 миллиметров. D – перед нами дисковый варистор. 400 – напряжение срабатывания. K – эта буква говорит о том, что допуск возможного отклонения имеет погрешность в 10%. Если говорить о компьютерной технике, то у них варисторы рассчитаны на 470В. Согласитесь, немало. Но ведь существует не один варистор! Маркировка этих деталей проводится каждым крупным производителем по-своему, поэтому универсальных и стандартизированных правил распознавания нет. Поэтому нужно пользоваться или помощью продавцов, или прибегать к услугам справочников.

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.

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.

Урок 1. Назначение и принцип действия ОПН

Ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН)-электрические аппараты, предназначенные для защиты оборудования систем электроснабжения от коммутационных и грозовых перенапряжений. Основным элементом ОПН является нелинейный резистор – варистор ( varistor, от англ. Vari(able) (Resi)stor – переменное, изменяющееся сопротивление).

Основное отличие материала нелинейных резисторов ограничителей от материала резисторов вентильных разрядников состоит в резко нелинейной вольт-амперной характеристики (ВАХ) и повышенной пропускной способности. Применение в ОПН высоконелинейных резисторов позволило исключить из конструкции аппарата искровые промежутки, что устраняет целый ряд недостатков, присущих вентильным разрядникам.

Основной компонент материала резисторов ОПН – оксид (окись) цинка ZnO. Оксид цинка смешивают с оксидами других металлов – закисью и окисью кобальта, окисью висмута и др. Технология изготовления оксидно-цинковых резисторов весьма сложна и трудоёмка и близка к требованиям при производстве полупроводников – применение химически чистого исходного материала, выполнение требований по чистоте и т. д. Основные операции при изготовлении – перемешивание и измельчение компонентов, формовка ( прессование) и обжиг. Микроструктура варисторов включает в себя кристаллы оксида цинка (полупроводник n – типа) и междукристаллической прослойки ( полупроводник p – типа). Таким образом, варисторы на основе оксида цинка ZnO являются системой последовательно – параллельно включённых p – n переходов. Эти p – n переходы и определяют нелинейные свойства варисторов, то есть нелинейную зависимость величины тока, протекающего через варистор, от приложенного к нему напряжения.

В настоящее время варисторы для ограничителей изготовляются как цилиндрические диски диаметром 28 – 150 мм, высотой 5 – 60 мм (рис 1). На торцевой части дисков методом металлизации наносятся алюминиевые электроды толщиной 0.05-0.30 мм. Боковые поверхности диска покрывают глифталевой эмалью, что повышает пропускную способность при импульсах тока с крутым фронтом.

Рис. 1. Нелинейный резистор – варистор

Диаметр варистора ( точнее — площадь поперечного сечения ) определяет пропускную способность варистора по току, а его высота — параметры по напряжению.

При изготовлении ОПН то или иное количество варисторов соединяют последовательно в так называемую колонку. В зависимости от требуемых характеристик ОПН и его конструкции и имеющихся на предприятии варисторов ограничитель может состоять из одной колонки (состоящей даже из одного варистора) или из ряда колонок, соединённых между собой последовательно/ параллельно.

Для защиты электрооборудования от грозовых или коммутационных перенапряжений ОПН включается параллельно оборудованию (рис. 2 ).

Рис.2

Защитные свойства ОПН объясняются вольт–амперная характеристикой варистора.

Вольт – амперная характеристика конкретного варистора зависит от многих факторов, в том числе от технологии изготовления, рода напряжения — постоянного или переменного, частоты переменного напряжения, параметров импульсов тока, температуры и др.

Типовая вольт- амперная характеристика варистора с наибольшим длительно допустимым напряжением 0.4 кВ в линейном масштабе приведена на рис. 3.

Рис. 3. Вольт – амперная характеристика варистора

На вольт – амперной характеристике варистора можно выделить три характерных участка: 1) область малых токов; 2) средних токов и 3) больших токов. Область малых токов – это работа варистора под рабочим напряжением, не превышающим наибольшее допустимое рабочее напряжение. В данной области сопротивление варистора весьма значительно. В силу неидеальности варистора сопротивление хотя и велико, но не бесконечно. поэтому через варистор протекает ток, называемый током проводимости. Этот ток мал — десятые доли миллиамперметра.

При возникновении грозовых или коммутационных импульсов перенапряжений в сети варистор переходит в режим средних токов. На границе первой и второй областей происходит перегиб вольт – амперной характеристики, при этом сопротивление варистора резко уменьшается (до долей Ома). Через варистор кратковременно протекает импульс тока, который может достигать десятков тысяч ампер. Варистор поглощает энергию импульса перенапряжения, выделяя затем её в виде тепла, рассеивая в окружающее пространство. Импульс перенапряжения сети “ срезается” (рис. 4).

Рис. 4

В третьей области ( больших токов) сопротивление варистора снова резко увеличивается. Эта область для варистора является аварийной.

Характеристики и параметры варисторов

• Классификационное напряжение (Varistor Voltage) – это величина напряжения, при котором ток в 1 мА протекает через варистор;
• Максимально допустимое переменное напряжение (Maximum Allowable Voltage – ACrms) – Это среднеквадратичное значение переменного напряжения (rms) в вольтах. Это та величина, при которой варистор “открывается” и понижается его сопротивление, тем самым он начинает выполнять свою задачу;
• Максимально допустимое постоянное напряжение (Maximum Allowable Voltage – DC) – Варистор можно использовать в цепях постоянного тока, этот параметр показывает напряжение “открытия”, но уже для постоянного напряжения. Указывается в вольтах. Обычно выше, чем величина для переменных цепей;
• Максимальное напряжение ограничения (Maximum Clamping Voltage) – максимальное напряжение в вольтах, которое может выдержать корпус варистора без выхода из строя. Обычно указывается для конкретной величины тока;
• Максимальная поглощаемая энергия – указывается в джоулях (Дж). Величина импульса, которую может рассеять варистор, не выходя из строя;
• Время срабатывания – обычны указывается в наносекундах (нс). Это время, которое требуется варистору для изменения величины сопротивления от очень высокого, до очень низкого;
• Допустимое отклонение (Varistor Voltage Tolerance) – это допустимое отклонение квалификационного напряжения варистора, указывается оно в процентах (%). Это фиксированные величины ±5%, ±10%, ±20% и т.д. В импортных варисторах величина отклонения, зашифрованна в определенную букву и указывается в маркировке варистора, каждая фирма может использовать свои маркировки. К примеру, для варисторов фирмы Joyin принято такое обозначение: K – ±10%, L – ±15%, M – ±20%, P – ±25%.

Подбор варисторов осуществляется по специальным справочникам на основе вышеописанных параметров. Узнаем значения своей цепи и защищаемого оборудования. На основе этого выбираем варистор, который нужно ставить.

Теперь, когда мы разобрались с основами, можно перейти к проверке варистора

Определяем работоспособность элемента (пошаговая инструкция)

Для данной операции нам потребуются следующие инструменты:

• Отвертка (как правило, крестовая). Чтобы добраться до платы блока питания, потребуется разобрать корпус электронного устройства, тут без отвертки не обойтись.
• Щетка, для очистки печатной платы. Как показывает практика, в БП накапливается много пыли. Особенно это характерно для устройств с принудительным охлаждением, типичный пример, – блок питания компьютера.
• Паяльник. В силовой части БП на плате большие дорожки и нет мелких элементов, поэтому допустимо использовать устройства мощностью до 75 Вт.
• Канифоль и припой.
• Мультиметр или другой прибор, позволяющий измерить сопротивление.

Когда все инструменты готовы, можно приступать к процедуре. Действуем по следующему алгоритму:

1. Разбираем корпус устройства. В данном случае дать детальную инструкцию как это сделать затруднительно, поскольку конструкции приборов существенно отличаются друг от друга. Эту информацию можно найти в инструкции к оборудованию или на сайте производителя, также поможет поиск на тематических форумах и блогах.
2. Добравшись до печатной платы БП, следует очистить ее от пыли. Делать это нужно аккуратно, чтобы не повредить радиодетали. Бывали случаи, когда от чрезмерного усилия, в процессе чистки, щетка повреждала транзистор, тиристор или другой компанент.
3. Когда пыль удалена, находим варистор, он имеет характерный вид, поэтому спутать его можно разве что с конденсатором, но последний отличается маркировкой.

   Варистор в силовой части БП

4. Найдя элемент, тщательно осматриваем его на предмет повреждений. Это могут быть трещины, сколы и другие нарушения целостности корпуса. В большинстве случаев, определить неисправность можно на этом этапе. При обнаружении повреждений элемент выпаиваем и меняем на такой же или аналог. Подобрать его можно самостоятельно (расшифровка маркировки приводилась выше) или посоветовавшись с продавцом радиодеталей.

   Варистор со следами повреждений

5. Если визуальный осмотр не дал результатов, следует проверить варистор мультиметром, для этого выпаиваем деталь.
6. Для проведения измерения подключаем щупы к мультиметру (на рисунке 7 гнезда показаны зеленым цветом) и переводим его в режим измерения максимального сопротивления (красный круг на рис. 7). Если у вас мультиметр другого типа, воспользуйтесь инструкцией к прибору.

   Рисунок 7. Установка режима отмечена красным, гнезда для щупов – зеленым

7. Касаемся щупами выводов и измеряем сопротивление варистора. Оно должно быть бесконечно большим. Иное значение указывает на неисправность варистора, следовательно, его необходимо заменить.

Использование

Давайте рассмотрим, к примеру, сеть на 220 Вольт. Для неё оптимальными будут устройства, у которых напряжение срабатывания находится в диапазоне 275-420В (но здесь есть некоторые технические нюансы, которые мы трогать не будем). В качестве сетевого фильтра используется три варистора. Они блокируют проникновение импульсов по цепи фазы и нуля. А почему их три? Бывает иногда такое, что в новостях проскакивают сообщения о проблемах, вследствие которых электроники лишились тысячи людей. Такое бывает, когда вместо нуля и фазы по проводам идёт только последняя. Для аппаратуры это почти всегда верная смерть. Но наличие варистора на нуле позволяет успешно защищать от таких ситуаций. В качестве показательного примера можно привести мобильные телефоны. Чтобы они не перегорели, используют миниатюрные многослойные варисторы. Кроме этого, их можно встретить в телекоммуникационном оборудовании и автомобильной электронике.

Сопротивление — варистор — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 3

Сопротивление — варистор

Cтраница 3

Сопротивление варистора, включенного параллельно обмотке реле при номинальном напряжении источника питания, обычно достаточно велико, но после размыкания цепи сопротивление варистора автоматически уменьшается по мере нарастания напряжения на его зажимах, ограничивая величину перенапряжения на контактах. Поэтому варистор потребляет в статическом режиме очень малую мощность и значительно меньше замедляет время работы реле, чем линейное искрогасящее сопротивление.  [31]

В схеме рис. 3 — 41, а на варистор Rr, через конденсатор Се с обмотки ТВС подаются импульсы обратного хода положительной полярности. Сопротивление варистора СН1 — 1 — 1300 уменьшается при большом приложенном напряжении, поэтому конденсатор С6 заряжается вершинами импульсов обратного хода.  [32]

Ва-ристоры — это полупроводниковые приборы с симметричными нелинейными вольт-амперными характеристиками, применяющиеся в качестве малоинерционных нелинейных сопротивлений. Сопротивление варистора в диапазоне низких частот чисто активное и изменяется под действием приложенного к нему напряжения. С увеличением напряжения оно уменьшается. Варисторы применяются для стабилизации напряжения, защиты от перенапряжений, в стабилизаторах тока, функциональных преобразователях и других устройствах автоматики и радиоэлектроники.  [33]

При использовании варистора в цепи компенсации ( рис. 49) эффективность ключевой системы АРУ значительно увеличивается. Сопротивление варистора R &, включенного между источником напряжения ив и анодной цепью ключевой лампы, велико для того небольшого напряжения, которое действует во время переходного процесса включения строчной развертки. Поэтому компенсации запирающего напряжения не происходит и канал УПЧ звука находится в запертом состоянии. Когда напряжение it / B достигает своего номинального значения, сопротивление варистора резко уменьшается и канал УПЧ звука отпирается практически одновременно с появлением изображения. Варистор Rs включен для стабилизации напряжения в точке А. Такая стабилизация исключает влияние случайных колебаний напряжения UB на усиление каскада УПЧ.  [35]

Включение параллельно обмотке варистора, сопротивление которого автоматически уменьшается по мере нарастания напряжения а его зажимах ( рис. 5.296), влияет на / отп в меньшей степени, чем линейное сопротивление. В статическом режиме сопротивление варистора велико, и поэтому дополнительный расход энергии незначителен.  [36]

Таким образом, отрицательная полуволна напряжения, показанная на рис. 3 — 17 6, не приведет к появлению большого тока через варистор, а положительные импульсы зарядят конденсатор С. В промежутке между импульсами сопротивление варистора очень велико и конденсатор Ci будет ( через резистор Rz) заряжать конденсатор Cz. Одновременно цепь ЛгС2 выполняет роль сглаживающего фильтра, благодаря чему напряжение на выходе схемы постоянно и пропорционально амплитуде входных импульсов.  [37]

Схема включения варистора приведена на рис. 5.11, а. С увеличением приложенного напряжения сопротивление варистора уменьшается, а ток, протекающий в цепи, нарастает. Основной особенностью варистора является нелинейность его вольтамперной характеристики ( рис. 5.11, б), которая объясняется явлениями, происходящими на контактах и на поверхности кристаллов карбида кремния.  [39]

Схема, показанная на рис. 10 — 28, а, не позволяет отключить цепь от питающего напряжения при разомкнутых контактах. При возрастании напряжения на обмотке сопротивление варистора уменьшается и он ограничивает дальнейшее увеличение напряжения на контактах.  [41]

Стабилизация размера строк производится с помощью вари-стора R3, включенного последовательно с конденсатором Ст. При увеличении тока и напряжения импульсов сопротивление варистора уменьшается и увеличивается заряд конденсатора С7, отрицательное смещение на сетке Л2 возрастает, анодный ток лампы и ток в катушках уменьшаются.  [42]

Величина отрицательного напряжения на первой сетке оказывается связанной с размахом импульсов обратного хода. Резистор 3R16 позволяет в известных пределах регулировать сопротивление варистора в проводящем направлении и используется для подбора величины напряжения на втором аноде кинескопа.  [43]

Это свойство варисторов связано а уменьшением контактного сопротивления между зернами карбида кремния под действием электрического поля. Таким образом, по мере повышения напряжения сопротивление варистора уменьшается.  [45]

Страницы:      1    2    3    4    5

Варисторная защита, искрогасящие цепи, назначение, технические характеристики, схемы применения.

Назначение. Для защиты электрической сети от перенапряжения существуют различные приборы, выпускаемые промышленностью в разных странах. А для защиты от кратковременных бросков элементов схем, которые происходят в сети по различным причинам, применяют так называемые варисторы, у которых вольт-амперная характеристика резко меняется при прикладывании к нему величины напряжения, свыше определенного значения на которой рассчитан прибор.

 В повседневной жизни обычно мы не обращаем внимания, какие проблемы испытывает наше современное электронное оборудование, включенное в электрическую сеть. Для нормального функционирования приборов необходимо качественное напряжение, как по величине, частоте, так и по форме напряжения. Наше современная электронное оборудование стоит достаточно дорого, оно не всегда может противостоять скачкам напряжения, помехам возникающим в сети, поэтому вопросу защиты оборудование от подобного рода воздействий необходимо уделять внимание. Для защиты электронной техники применяются, ограничители перенапряжения, сетевые фильтры, стабилизаторы напряжения.

Из статьи авторы: Трегубов С.В., к.т.н.Пантелеев В.А., к.т.н.Фрезе О.Г

Применение варисторной защиты, искрогасящие цепи

..Причиной возникновения грозовых импульсов напряжения являются удары молнии в электроустановку или вблизи нее.
По данным материалов полученных в США значения напряжения коммутационных импульсов даже в бытовых сетях могут достигать 20 кВ. Примерно такие же данные приводят японские, французские и другие исследователи. Исследования, проведенные нами по эксплуатации промышленного электрооборудования в сетях 0.4 кВ, позволяют утверждать, что, например, при тяжелых условиях коммутации силовых электродвигателей значение напряжения коммутационных импульсов может превышать 70 кВ. Нет необходимости говорить о последствиях такого воздействия на электрооборудование. Положение часто осложняется тем, что во многих случаях эксплуатация электрических машин производится в тяжелых условиях (загрязнение, увлажнение изоляции, частые пуски и остановки агрегатов), что обуславливает особую уязвимость изоляции электрооборудования из-за ее ускоренного износа и уменьшения электрической прочности.
Для защиты оборудования от импульсных напряжений в разных странах применяются вентильные разрядники, RC-цепочки, LC-фильтры и т.д. Однако в последние десятилетия во всем мире наиболее эффективным (и дешевым) средством защиты от импульсных напряжений любого вида признано использование нелинейных полупроводниковых резисторов, называемых варисторами. Отличительной чертой варистора является симметричная и резко выраженная нелинейная вольтамперная характеристика (ВАХ — см. рис.1).

За счет этого варисторы позволяют просто и эффективно решать задачи защиты различных устройств от импульсных напряжений. Основной принцип действия варистора весьма прост. Варистор включается параллельно защищаемому оборудованию, т.е. при нормальной эксплуатации он находится под действием рабочего напряжения защищаемого устройства. В рабочем режиме (при отсутствии импульсных напряжений) ток через варистор пренебрежимо мал, и поэтому варистор в этих условиях представляет собой изолятор.
При возникновении импульса напряжения варистор в силу нелинейности своей характеристики резко уменьшает свое сопротивление до долей Ома и шунтирует нагрузку, защищая ее, и рассеивая поглощенную энергию в виде тепла. В этом случае через варистор кратковременно может протекать ток, достигающий нескольких тысяч ампер. Так как варистор практически безынерционен, то после гашения импульса напряжения он вновь приобретает очень большое сопротивление. Таким образом, включение варистора параллельно электрооборудованию не влияет на его работу в нормальных условиях, но «срезает» импульсы опасного напряжения, что полностью обеспечивает сохранность даже ослабленной изоляции (см. рис 2).

Наиболее широкое применение находят варисторы на основе оксида цинка, что обусловлено, во-первых, относительной простотой их изготовления и, во-вторых, хорошей способностью оксида цинка поглощать высокоэнергетические импульсы напряжения. Варисторы изготавливают по обычной «керамической» технологии, включающей в себя прессование варисторов (чаще всего имеющих форму диска или шайбы), их обжиг, нанесение электродов, пайку выводов и нанесение электроизоляционных и влагозащитных покрытий. Такая технология в ряде случаев позволяет предприятиям-изготовителям выпускать варисторы по индивидуальным заказам…

Технические характеристики

Для получения информации о характеристиках используемых варисторных защит, приводим данные выпускаемых изделий промышленностью.
Устройством защиты от импульсного перенапряжения АЛЬБАТРОС-220/500 АС обеспечивается:

• Защита от импульсного, быстротекущего перенапряжения амплитудой до 10 кВ без перегорания предохранителя;
• Защита от импульсного аварийного значительного превышения напряжения, в этом случае происходит перегорание одного или обоих предохранителей.

* 8 мкс — длительность нарастания импульса; 20 мкс — длительность спада импульса.

По теме полезное. Схема подключения варистора в сетевом фильтре. Советы: Схемы подключения

Варисторы для защиты от перенапряжений схема подключения

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

Описание и принцип работы

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

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

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

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

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

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

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

Переходные формы волны переменного тока

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

Варистор статического сопротивления

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

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

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

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

Кривая характеристик варистора

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

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

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

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

Значения емкостного сопротивления

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

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

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

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

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

Металлооксидный варистор

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

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

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

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

Конструкция металлического оксидного варистора

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

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

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

Применение варистора на схеме

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

Резюме варистора

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

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

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

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

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

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

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

Текст вебинара. Страница 4

Быстрая навигация по слайдам:

Полупроводниковые элементы защиты от перенапряжений

— Давайте сейчас перейдём к следующим элементам, которые исторически появились после разрядников – это полупроводниковые элементы защиты от перенапряжений. И здесь, как я уже раньше упоминал – это поликристаллические полупроводники (варисторы) и монокристаллические полупроводники (диоды и тиристоры).

— Поликристаллические – это название дается от того, что просто варистор – это полупроводник, состоящий из печенных зернышек определенного материала. Если мы посмотрим на выпущенную такую схему срабатывания этого элемента, мы можем договориться, что это просто нелинейный по отношению к напряжению элемент, которого свойства похожи на два параллельно включенных и противоположно включенных диода Зенера. Испеченные из порошков такие приборы проявляли сильную нелинейную зависимость тока от величины приложенного напряжения и они появились уже в Соединенных Штатах уже в 1920 году, они назывались Thyrite. Первоначально такой варистор использовался в производстве элементной базы высоковольтных молниевых разрядников, потому что там сразу же появились проблемы в сети электропитания. А сегодня такой элемент широко применяется в ограничении перенапряжений низковольтных систем электроснабжения и сигнальных линий, причем такой элемент имеет свои определенные недостатки, о которых мы должны помнить, когда его используем.

Характеристика варистора U-I

— В действительности в технике появились два материала, которые я указываю на этом рисунке для варисторов. То есть сначала это был карбид кремния, еще сегодня его встречаем в линиях электропитания высоковольтных и окись цинка, которая вошла в жизнь порядка 20 – 25 лет тому назад и она используется сегодня очень широко. Из этой варисторной характеристики мы видим, что для окиси цинка эта характеристика более полезная для нас, она более имеет побольше крутизну, и поэтому и этот материал сегодня в основном и применяется.

Структура ZnO — варистора

— Если посмотрим на структуру такого варистора, мы видим, что он состоит из зернышек окиси цинка. Они разделены между собой специальным порошком, состоящим из разного ввода окисей и разных металлов, они являются секретом производителей. На практике у нас появляются такие диодики в виде звездочек.

Размеры ZnO — варистора

— Так как это испеченный порошок, так он имеет свои определенные проблемы. Посмотрите, по размерам этот элемент намного больше миниатюрного разрядника, и если мы на практике рассматриваем и покупаем такие элементы, можно спокойно определить, что если такой наш элемент имеет размеры, указанные здесь, это означает, что он ни в коем случае не будет отводить 20 кА, 8/20 мкс, о которых говорится в основном у хороших производителей.

— То есть структура такого элемента, где найти керамику полупроводниковую монокристаллическую. Наносится два электрода, специальных электрода и большая площадь этого электрода позволяет уменьшить площадь тока до такого значения, что этот элемент много лет работает, не выходя из строя. Если бы мы его установили правильно в определенной среде, то есть там, где токи номинальные не будут превышены.

Три области вольт-амперной характеристики

— Если посмотрим на вольт-амперную характеристику, мы видим, что она обладает очень сильной нелинейностью и тут различаем как бы три области. Область тока утечки, где маленькие токи, если мы посмотрим – это меньше, чем миллиампер. Потом где-то одного миллиампера, где характерно номинальное напряжение, оно указывается в каталогах. Параметр срабатывает в элементах. Здесь видим такую полочку, которая находится в рабочем режиме до нескольких сот ампер. Область номинального ограничения напряжения для этого варистора. И потом область насыщения для этого случая, область, в которой ток начинает превышать номинальные параметры, которые могут привести к сгоранию элемента. Если посмотрим на сопротивление изоляции в этой области тока утечки. В этой области, где просто элемент ждет побольше напряжения. Это порядка 1 Г Ом, а когда уже проходим в высокопроводящее состояние, у нас порядка 0,01 Ом. То есть на много порядков меняется это сопротивление. Но и это означает, что уже в таких величинах слишком большая энергия будет накопляться в нашем варисторе и он может просто перегореть.

Преимущества и недостатки варисторов ZnO

— Преимущества варисторов – это способность поглощать большие ударные токи по отношению к небольшим геометрическим размерам. Большая скорость срабатывания, производитель показывает порядка 200 нс. Я измерял этот параметр во время моей диссертации, кандидатской, я не видел такого времени, у меня это время было намного короче. И я здесь показал просто время, которое в этот период характеризовался мной, это было меньше, чем 0,5 нс. Эти элементы характеризуются широким диапазоном рабочего напряжения. Он характеризуется, как я говорил толщиной, и здесь можно встретить элементы, которые имеют напряжение срабатывания несколько вольт до нескольких сот вольт, но в действительности элементы ниже 60 – 100 В пока еще нестабильны, вы должны об этом помнить, если мы смотрим на варисторы из окиси цинка. Симметричная вольт-амперная характеристика дает нам тоже положительный результат, так как мы применяем один элемент на двуполярности импульсов перенапряжения.

Параметры варисторов. Часть 1

— Параметров много, я не буду над ними задерживаться, но проектировщик должен на них посмотреть.

Параметры варисторов. Часть 2

— Пожалуйста, ознакомьтесь с ними, потому что я думаю, для вас во многих местах появится хорошая подсказка, какой элемент из них выбрать для работы.

Как правильно выбрать варистор?

— В практике, когда выбираем варистор хорошо рекомендоваться указанными здесь пунктами, когда мы используем защиту от перенапряжений. И если мы, например, зная значение номинальное, которое определяется для тока номинального 1 мА, так мы должны принимать, как минимум напряжение рабочее в 2 раза больше, чем рабочее напряжение защищенной цепи. То есть это номинальное напряжение должно быть в 2 раза больше – это означает, что при включении такого элемента в сеть электропитания через этот элемент будет протекать небольшой ток утечки. Это недостаток нашего элемента. Учтите, пожалуйста, что из-за этого варисторы нельзя включать перед счетчиком электроэнергии, потому что электрики не соглашаются на это, чтобы кто-то таким способом воровал им ток. И это имеет определенный смысл. В таком случае перед счетчиком можем устанавливать только элементы, которые идут в разрыв, то есть разрядники, которые такой утечкой не характеризуются. Следующий пункт – это необходимость определения ожидаемого значения максимального значения неопределенных состояний, то есть перенапряжений, которые могут появиться на выводах варистора. Так мы должны знать стойкость охраняемого прибора или изоляции, мы должны знать: устанавливаем этот элемент в зоне, в которой ожидается воздействие непосредственных токов молнии или просто токов индуцированных. Еще раз подчеркиваю, что варистор для ограничения токов молнии не используется, потому что он просто их не выдерживает. Мы должны определить величину энергии перенапряжений, отводимую варистором. Мы должны рассчитать максимальное значение тока неопределенного состояния, которое может протекать через объем варистора. Мы должны определить требования по отношению к мощности, рассеиваемой варистором, то есть она непосредственно связана с пиковым значением ударного тока, но и частотой повторения этих импульсов.

Защитные диоды. Виды

— Последний элемент, о котором мы сегодня будем говорить, потому что у нас всего их четыре. Они редко используются и времени у нас не хватит, но очень широко используются защитные диоды. Я к этому элементу отношусь очень хорошо, потому что, когда я испытывал этот элемент в лаборатории. Если я работал в номинальных параметрах, то этот элемент работал, срабатывал тысячи раз без заметного ухудшения своих характеристик. Но мы должны понимать, что в отличии от монокристаллического полупроводника у нас здесь имеем дело с монокристаллом. С монокристаллом в основном кремния сегодня. Монокристалл намного стабильнее, чем поликристалл, который представляет сегодня собой какой-то испеченный порошок. Но для того, чтобы использовать такой полупроводник для защиты от перенапряжений, вы должны провести специальные конструкции диодов, защиты от перенапряжений, которые работают исключительно для такого назначения. Но в действительности мы встречаем также и другие диоды, используемые для той цели, но это уже могут делать специалисты. Там используются импульсные диоды, диоды с барьером Шоттки, pin-диоды, диоды Zenera, диоды с низкорезистивной базой и диоды на основе арсенида галлия, но тут мы должны учитывать, что арсенид галлия – это немного лучший материал, чем кремний по отношению к большим токам. Это тоже хорошо знать, в будущем он должен победить кремний, мне так кажется.

Защитный диод на примере конструкции прибора TRANSIL

— Если посмотрим на конструкцию такого диода, я здесь указал пример элемента TRANSIL фирмы THOMSON-CSF. Мы видим, что элемент специально разработан для отвода большой импульсной энергии. И если так хорошо посмотрим на этот элемент, я использую стрелку, чтобы помочь увидеть вам здесь p-n переход, который имеет большую поверхность, большой объем по отношению к полупроводнику, используемому диоду для других случаев. Два радиатора из серебра большой емкости отводят большие энергии тепла, которые выделяются при протекании ударного тока. Дальше видим специально сделанные медные выводы специально, подключенные. Пропускаем через корпус, внутри которого находится азот. Азот тоже характеризуется хорошими тепловыми свойствами. Он хорошо отводит тепло, которое выделяется у нас в этом переходе. Если посмотрим на материал, который расположен между электродами. Это специальный материал, который защищает от пробоя поверхностного внутри через азот, увеличивает напряжение пробоя. И на практике все эти элементы создают для того, чтобы, как можно больше они отводили тепловую энергию.

— Так как такой элемент – диод – это элемент, который не сможет ни в коем случае проводить частичные токи молнии, это элементы небольшие и самое важное для нас, что эти элементы характеризуются очень низким напряжением ограничения. Регулируя очень хорошо, мы можем подобрать любое напряжение, которое нам желается от нескольких вольт до нескольких сот вольт и включить нашу схему. Мы видим, что эти элементы по размерам небольшие, поэтому и понятно нам, что энергия не может быть большой.

— Недостатком этих элементов является несимметричная характеристика срабатывания. В связи с тем, мы должны использовать два элемента для защиты от перенапряжений, что дорожает схему, но выхода здесь нет. Ток утечки намного меньше, чем у варистора, но они тоже характеризуют наш элемент. Если посмотрим на такой параметр, который более нужен. Я вижу, не указал его. Это емкость тоже достаточно высокая.

Назначение. Для защиты электрической сети от перенапряжения существуют различные приборы, выпускаемые промышленностью в разных странах. А для защиты от кратковременных бросков элементов схем, которые происходят в сети по различным причинам, применяют так называемые варисторы, у которых вольт-амперная характеристика резко меняется при прикладывании к нему величины напряжения, свыше определенного значения на которой рассчитан прибор.

Из статьи авторы: Трегубов С.В., к.т.н.Пантелеев В.А., к.т.н.Фрезе О.Г

Применение варисторной защиты, искрогасящие цепи

Технические характеристики

Для получения информации о характеристиках используемых варисторных защит, приводим данные выпускаемых изделий промышленностью.
Устройством защиты от импульсного перенапряжения АЛЬБАТРОС-220/500 АС обеспечивается:

• Защита от импульсного, быстротекущего перенапряжения амплитудой до 10 кВ без перегорания предохранителя;
• Защита от импульсного аварийного значительного превышения напряжения, в этом случае происходит перегорание одного или обоих предохранителей.

* 8 мкс — длительность нарастания импульса; 20 мкс — длительность спада импульса.

По теме полезное. Схема подключения варистора в сетевом фильтре. Советы : Схемы подключения

Варисторы для защиты от перенапряжений схема подключения

В каждом доме есть дорогостоящая электронная техника. Любые приборы на полупроводниковых элементах имеют слабую изоляцию. Так что небольшое повышение напряжение может сжечь электронику. Часто изменение напряжения в бытовых сетях происходит импульсно, то есть напряжение резко повышается на доли секунды, а потом возвращается до нормального уровня.

Импульсы напряжения бывают грозовые и коммутационные.

Грозовые скачки напряжения появляются при ударах молний прямо в электроустановку или линию передачи, или же близко возле них. Грозовые разряды могут причинить вред бытовым сетям, даже если удар в электросеть произойдет на удалении до 20 км.

Коммутационные скачки напряжения создаются при коммутации электрооборудования с реактивными элементами. То есть при включении оборудования, которое построено с использованием большого количества конденсаторов, а также имеет мощные катушки индуктивности и трансформаторы.

Самые высокие коммутационные скачки напряжения создают электродвигатели и конденсаторные батареи.

Для обеспечения надежной защиты от импульсных напряжений должны быть обеспечены три ступени защиты в сетях до 1000 В. В каждой ступени защиты применяются разные по конструкции и по параметрам устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).

Первая ступень защиты должна быть установлена на понижающей подстанции или непосредственно у входа в здание. В качестве УЗИП применяются чаще всего разрядники иногда и мощные варисторы.

Режимы работы УЗИП первой ступени самые тяжелые – величины импульсных токов 25-100 кА, крутизна фронта волны 10/350 мкс, длительность фронта волны 350 мкс. Быстросъемные УЗИП с ножевыми контактами здесь практически не применяются. Потому что импульсные токи величиной 25-50 кА, при разряде молний, создают огромные электродинамические силы, которые легко вырывают съемные части устройства. Кроме того, при разрывании соединения, через воздушный зазор зажигается плазменная дуга, разрушающая ножевые контакты.

Наиболее предпочтительно на первом участке применять воздушные разрядники. Тем более что серийно варисторы для импульсных токов свыше 20 кА не выпускаются. Так как мощные варисторы делаються с большими выводами, которые выполняют роль радиаторов, рассеивая чрезмерное тепло.

Вторая ступень защиты необходима для удаления остаточных, меньших по амплитуде, импульсов после первой ступени. Каждый хозяин дома сам определяет, нужна эта ступень защиты или нет. Устанавливается защита на вводе электричества в дом, в отдельном электрощите.

В качестве УЗИП для второй ступени используются защитные элементы с ножевыми контактами. Внешне защитные элементы с ножевыми контактами представляют собой две отдельные части. Одна часть – гнездо с ножевыми контактами, которое закрепляется на DIN-рейку в электрощите. Другая часть – съемный модуль, который является непосредственно варистором. Защитный варистор должен выдерживать импульсные токи в границе 15-20 кА, с крутизной волны 8/20 мкс. Съемные модули могут быть оснащены индикатором срабатывания, по которому можно определить исправность устройства. Более дорогие модели имеют терморасцепители в своей конструкции, защищающие от перегрева варистор, при длительном протекании импульсных токов.

Третья ступень защиты устанавливается внутри всех электронных бытовых приборов. В качестве УЗИП для бытовых электроприборов применяются только небольшие варисторы, рассчитанные на крутизну волны 1,2/50 мкс, 8/20 мкс и на импульсные токи до 15 кА. Варисторы с монтажными выводами припаиваются внутри прибора на плату или закрепляется отдельно и подключаются отдельными проводами.

Схема включения.

Все варисторы подключаются параллельно нагрузке, правильнее их будет включать между фазовым проводом и проводом заземления.

В трехфазной сети, при подключении нагрузки «звездой», варисторы включаются между каждой фазой и проводом заземления. А при подключении нагрузки «треугольником», варисторы устанавливаются между фазами.

Варисторы, как нелинейные элементы, при повышенном напряжении резко уменьшают свое сопротивление практически до нуля, и поэтому не могут длительно выдерживать повышенные импульсные токи. Поэтому рекомендуется защитить УЗИП второй ступени защиты плавкими предохранителями, которые нужно подключить последовательно с устройством защиты в разрыв фазового провода.

Правильно выбирать варисторы по напряжению срабатывания. При этом напряжении элемент снижает свое сопротивление и гасит опасное импульсное напряжение. Информация о напряжении срабатывания и о крутизне волны импульса наноситься на поверхность варистора или указывается в техническом паспорте к нему.

В тандеме с данной статьей полезно ознакомиться с видео-дополнением:

В каждом доме есть дорогостоящая электронная техника. Любые приборы на полупроводниковых элементах имеют слабую изоляцию. Так что небольшое повышение напряжение может сжечь электронику. Часто изменение напряжения в бытовых сетях происходит импульсно, то есть напряжение резко повышается на доли секунды, а потом возвращается до нормального уровня.

Импульсы напряжения бывают грозовые и коммутационные.

Грозовые скачки напряжения появляются при ударах молний прямо в электроустановку или линию передачи, или же близко возле них. Грозовые разряды могут причинить вред бытовым сетям, даже если удар в электросеть произойдет на удалении до 20 км.

Коммутационные скачки напряжения создаются при коммутации электрооборудования с реактивными элементами. То есть при включении оборудования, которое построено с использованием большого количества конденсаторов, а также имеет мощные катушки индуктивности и трансформаторы.

Самые высокие коммутационные скачки напряжения создают электродвигатели и конденсаторные батареи.

Для обеспечения надежной защиты от импульсных напряжений должны быть обеспечены три ступени защиты в сетях до 1000 В. В каждой ступени защиты применяются разные по конструкции и по параметрам устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).

Первая ступень защиты должна быть установлена на понижающей подстанции или непосредственно у входа в здание. В качестве УЗИП применяются чаще всего разрядники иногда и мощные варисторы.

Режимы работы УЗИП первой ступени самые тяжелые – величины импульсных токов 25-100 кА, крутизна фронта волны 10/350 мкс, длительность фронта волны 350 мкс. Быстросъемные УЗИП с ножевыми контактами здесь практически не применяются. Потому что импульсные токи величиной 25-50 кА, при разряде молний, создают огромные электродинамические силы, которые легко вырывают съемные части устройства. Кроме того, при разрывании соединения, через воздушный зазор зажигается плазменная дуга, разрушающая ножевые контакты.

Наиболее предпочтительно на первом участке применять воздушные разрядники. Тем более что серийно варисторы для импульсных токов свыше 20 кА не выпускаются. Так как мощные варисторы делаються с большими выводами, которые выполняют роль радиаторов, рассеивая чрезмерное тепло.

Вторая ступень защиты необходима для удаления остаточных, меньших по амплитуде, импульсов после первой ступени. Каждый хозяин дома сам определяет, нужна эта ступень защиты или нет. Устанавливается защита на вводе электричества в дом, в отдельном электрощите.

В качестве УЗИП для второй ступени используются защитные элементы с ножевыми контактами. Внешне защитные элементы с ножевыми контактами представляют собой две отдельные части. Одна часть – гнездо с ножевыми контактами, которое закрепляется на DIN-рейку в электрощите. Другая часть – съемный модуль, который является непосредственно варистором. Защитный варистор должен выдерживать импульсные токи в границе 15-20 кА, с крутизной волны 8/20 мкс. Съемные модули могут быть оснащены индикатором срабатывания, по которому можно определить исправность устройства. Более дорогие модели имеют терморасцепители в своей конструкции, защищающие от перегрева варистор, при длительном протекании импульсных токов.

Третья ступень защиты устанавливается внутри всех электронных бытовых приборов. В качестве УЗИП для бытовых электроприборов применяются только небольшие варисторы, рассчитанные на крутизну волны 1,2/50 мкс, 8/20 мкс и на импульсные токи до 15 кА. Варисторы с монтажными выводами припаиваются внутри прибора на плату или закрепляется отдельно и подключаются отдельными проводами.

Схема включения.

Все варисторы подключаются параллельно нагрузке, правильнее их будет включать между фазовым проводом и проводом заземления.

В трехфазной сети, при подключении нагрузки «звездой», варисторы включаются между каждой фазой и проводом заземления. А при подключении нагрузки «треугольником», варисторы устанавливаются между фазами.

Варисторы, как нелинейные элементы, при повышенном напряжении резко уменьшают свое сопротивление практически до нуля, и поэтому не могут длительно выдерживать повышенные импульсные токи. Поэтому рекомендуется защитить УЗИП второй ступени защиты плавкими предохранителями, которые нужно подключить последовательно с устройством защиты в разрыв фазового провода.

Правильно выбирать варисторы по напряжению срабатывания. При этом напряжении элемент снижает свое сопротивление и гасит опасное импульсное напряжение. Информация о напряжении срабатывания и о крутизне волны импульса наноситься на поверхность варистора или указывается в техническом паспорте к нему.

В тандеме с данной статьей полезно ознакомиться с видео-дополнением:

Удар молнии в соседнюю опору электропередач или просто рядом с вашим домом событие не очень приятное. Для мастера-электронщика работа в этом случае часто неблагодарная. Не рядовой случай, когда после всех объяснений и рассказов о целесообразности ремонта слышим в конце недовольное: «А почему так дорого?», «А я у другого мастера спросил и мне сказали, что сгореть должно было меньше» и всякий подобный бред жадины-профана, который не ценит чужой труд. Вариант, когда после вскрытия пациента наблюдаем пробитый «трансик» или обугленный варистор много приятнее для обеих сторон.

Современные полупроводники крайне чувствительны к превышениям допустимого напряжения и причина этого не только природные явления. Список причин можно продолжать — от доморощенного сварщика-соседа, до перекомутаций на линии. Нас больше интересует не сами причины, а как с ними бороться. Коротко об этом.

Смешной ответ: «220 вольт», — кому-то не режет слух. Вариант: «Переменный», — тоже не много лучше, потому как без нагрузки тока нет. А какое напряжение? Может быть уже и не 220 вольт – стандарт однако изменился.

Когда мы говорим о напряжении бытовой сети, то речь идёт о действующем значение переменного напряжения – 220 (230) В. Амплитудное значение будет больше приблизительно в 1.4 раза – 311 (325) В. Учитывая допуск в 10 процентов, получим допустимый разброс амплитуды — от 280 до 342 (292 — 358) вольт. Вот эти 358 В – законно допустимая амплитуда переменного напряжения в нашей розетке. Но и это не всё. Может меняться частота, а синусоида не всегда имеет правильную форму. Перенапряжения различной природы суровая реальность и их допустимые параметры тоже регламентируют.

Для этого в цепи питания ставят входные фильтры, разрядники, супрессоры и варисторы (первый эшелон защиты на входе радиоаппаратуры).

Входной LC-фильтр неотъемлемая часть любого импульсного БП (его отсутствие говорит о «качестве» изделия). Основное назначение – не пропускать высокочастотные помехи от работы самого БП в сеть.

Разрядник – устройство с искровым промежутком, может быть как элементом печатного монтажа так и отдельным устройством (газонаполненный, с элементами гашения дуги). Разрядники имеют относительно большое время срабатывания (несколько миллисекунд), при срабатывании искровой промежуток со временем увеличивается из-за обгорания контактов, имеют большой разброс параметров, которые к тому же сильно зависят от внешней среды.

Супрессор (он же защитный диод (стабилитрон), диодный предохранитель, TVS-диод, трансил). В цепи переменного тока используются симметричные супрессоры. При превышении порогового напряжения, внутреннее сопротивление супрессора резко падает. Результат зависит от мощности вредного импульса – нагреется и остынет или сгорит вместе с предохранителем.

Варистор Вольтамперная характеристика (ВАХ) очень похожа на ВАХ супрессора. Соответственно и принцип работы схож. Сопротивление варистора зависит от приложенного к нему напряжения. На участке малых токов (несколько миллиампер) варистор практически не влияет на работу защищаемого устройства. Защитные свойства он проявляет на участке больших токов – когда приложенное к нему напряжение превысит определённый порог.

При превышении этого порога, варистор резко уменьшает собственное сопротивление до десятков ом. Высокочастотные импульсы перенапряжения не проникают на вход устройства, а преобразуются в тепловую энергию нагрева самого варистора. Если энергия этих импульсов больше допустимой, то варистор закорачивает входную цепь и сгорает вместе с плавким предохранителем.

При возникновении высоковольтного импульса сопротивление варистора резко уменьшается до долей Ома и шунтирует нагрузку, защищая ее и рассеивая поглощенную энергию в виде тепла. При этом через варистор может протекать импульсный ток, достигающий нескольких тысяч ампер. Так как варистор практически безынерционен, то после исчезновения помехи его сопротивление вновь становится большим. Таким образом, включение варистора параллельно защищаемому устройству не влияет на работу последнего в нормальных условиях, но гасит импульсы опасного напряжения

Знания схемотехники входных цепей питания радиоаппаратуры и принципов работы элементов этих цепей несомненно нужны. Но обычному ремонтёру важнее знать как это проверить и чем заменить. Обугленный варистор потерял свою маркировку и вопрос что ставить взамен возникает не только у новичков (ведь цепи защиты бывают разные). Просто выпаять и забыть – не наш вариант!

Самый распространённый вариант – варистор на 470 вольт. Вспоминаем цифру сверху – 358 вольт в предполагаемом максимуме. Запас 112 вольт? Не совсем так. Варисторы имеют класс точности, и 10 процентов это лучший вариант. Считаем 20 процентов. Получаем возможный нижний предел напряжения срабатывания – 376 вольт. Теперь понятна логика производителя. Но и это не всё. Вариант ставим что есть на складе никто не отменял, главное, чтобы не было ложных срабатываний. Здесь необходимо понимание основного назначения варистора – защита от высоковольтных импульсных перенапряжений. Отвал нулевого провода в вашем доме и в результате неисправная аппаратура, а варистор целый — не редкость. Высоковольтные перенапряжения случайны и результат их воздействия непредсказуем. И если штатно варистор рассеивает высоковольтные импульсы, но когда-то наступает случай, что он не выдерживает мощности паразитного импульса и сгорает. Горит с переходом в проводящее состояние. По этой причине обязательна защита плавким предохранителем. Такая вот обязательная защита защиты.

На практике (особенно для себя любимого) лучше использовать варисторы на 390В или 430В постоянного напряжения. Воздействие высоковольтных импульсов очень не полезно для электролитов (а они чаще всего на 400В, а в дешевом ширпотребе даже на 350В).

Как проверить варистор? Сразу напрашивается вариант собрать простейшую цепь из резистора для ограничения тока, варистора, нагрузки и повышающего трансформатора с возможностью регулирования напряжения. Важно выяснить точно напряжение перехода в проводящее состояние. Вариант проще – подключаем нашу цепочку к мегоометру с напряжением 500 вольт, и убеждаемся в срабатывании варистора. Косвенная проверка – измерить ёмкость варистора. Я не ошибся, именно ёмкость.

Маркировка на варисторе — это не всегда напряжение (иногда это условный код), а если и напряжение то не всегда одно и то же. Разные производители маркируют варисторы по-разному. Используются как максимальное значение рабочего действующего синусоидального напряжения (EPCOS), иногда действующее значение синусоидального напряжения при котором происходит отпирание варистора, а китайцы ставят постоянное напряжение отпирания. Надо обязательно читать документацию конкретного производителя.

Для примера: варистор EPCOS/TDK с маркировкой 241 это фактически аналог 431 у китайского TKS с маркировкой TVR оба отпираются постоянным напряжением около 430В.

Напряжение отпирания варистора величина не точная. Классический разброс составляет -15%. +20%. А у лучших производителей — не менее 10%. И зависимость от температуры никто не отменял.

Отличия варисторов от супрессоров.

Супрессор проигрывает варистору в поглощаемой энергии. Варистор тем и хорош, что тепло в нем выделяется по всей толщине материала и отсутствуют локальные перегревы. Супрессор обладает отличным быстродействием, но легко перегревается и выходит из строя при миллисекундных импульсах. Энергию варистор при коротких перенапряжениях, не рассеивает (не успевает), а поглощает.

Варисторы применяются в схемах с большой мощностью импульса, но относительно низким значением скорости его нарастания (крутизна фронта). К примеру, тиристорные преобразователи.

Супрессоры — в схемах с большей крутизной, но меньшей длительностью. Это преобразователи на основе IGBT или MOSFET-транзисторов. Работа транзисторов в ключевом режиме характеризуется малой длительностью выбросов напряжения (не более сотен нс; очень редко мкс), но при этом крутым фронтом импульса.

Стабилитроны тоже можно применять, то только в низковольтных транзисторных схемах с малыми скоростями изменения напряжения.

Короткие выводы:

1. Варисторы хорошо защищают сети питания радиоаппататуры от коротких высоковольтных выбросов напряжения, которые физически не поглощаются входными фильтрующими конденсаторами. Но не являются защитой от перенапряжений ниже напряжения открывания самого варистора.

2. Супрессоры хорошо использовать для защиты силовых ключей от переходных процессов и пиковых перенапряжений короткими импульсами.

3. При выборе варистора в качестве замены ориентируемся на напряжение открывания варистора. Обращать внимание на производителя, смотреть документацию по конкретному прибору.

4. Для защиты от перенапряжений в сети (не высоковольтных импульсных) хорошее решение применять ограничители напряжения и ограничители тока короткого замыкания (это для себя, а клиенту как совет).

P.S Всё, что выше никак не учебник и не претендует на полноту. Целенаправленно не перечислены все параметры рассмотренных элементов. Замечания на рассмотренную тему будут полезны не только автору.

ПРИМЕНЕНИЕ ВАРИСТОРОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО КЛЮЧА ГИБРИДНЫХ КОНТАКТОРОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ОТ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ

Научно-технический сборник 76

УДК 61.16 Н.О.РАК Харьковская национальная академия городского хозяйства Научно-технический сборник 76 ТОКОВАЯ НАГРУЗКА НА СИЛОВЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ ГИБРИДНЫХ КОММУТАЦИОННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ АППАРАТОВ

  X  C  = 1 / (2Pi.fC) 

Где f = частота цепи, C = емкость.