Варисторы - принцип работы, типы и применение

Что такое варистор и для чего он применяется, рассмотрен принцип действия варистров, их вольт-амперная характеристика, приведены основные параметры варисторов отечественного производства, а также параметры для дисковых варисторов серии TVR. Как выглядит из себя варистор который применяется в бытовой радиоаппаратуре, а также внешний вид мощных варистров.

Принцип работы варистора

Варисторы, Varistors (название образовано от двух слов Variable Resistors — изменяющиеся сопротивления) — это полупроводниковые (металлооксидные или оксидноцинковые) резисторы, обладающие свойством резко уменьшать свое сопротивление с 1000 МОм до десятков Ом при увеличении на них напряжения выше пороговой величины.

В этом случае сопротивление становится тем меньше, чем больше действует напряжение. Типичная вольт-амперная характеристика варистора имеет резко выраженную нелинейную симметричную форму (рисунок 1), то есть он может работать и на переменном напряжении.

Вольт-амперная характеристика варистора

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика варистора.

Варисторы подсоединяют параллельно нагрузке, и при броске входного напряжения основной ток помехи протекает через них, а не через аппаратуру.

Таким образом, варисторы рассеивают энергию помехи в виде тепла. Так же, как и газоразрядник, варистор является элементом многократного действия, но значительно быстрее восстанавливает свое высокое сопротивление после снятия напряжения.

Достоинством варисторов, по сравнению с газоразрядниками, являются:

  • большее быстродействие;
  • безынерционное отслеживание перепадов напряжений;
  • выпускаются на более широкий диапазон рабочих напряжений (от 12 до 1800 В); о длительный срок эксплуатации;
  • имеют более низкую стоимость.

Варисторы широко применяются в промышленном оборудовании и приборах бытового назначения:

  • для защиты полупроводниковых приборов: тиристоров, симисторов, транзисторов, диодов, стабилитронов;
  • для электростатической защиты входов радиоаппаратуры;
  • для защиты от электромагнитных всплесков в мощных индуктивных элементах;
  • как элемент искрогашения в электромоторах и переключателях.

Виды варисторов

Типовое значение времени срабатывания варисторов при воздействии перенапряжения составляет не более 25 не, но для защиты некоторых видов оборудования его может оказаться недостаточно (для электростатической защиты необходимо не более 1 не).

Поэтому совершенствование технологии изготовления варисторов во всем мире направлено на повышение их быстродействия.

Так, например, фирме “S+M Epcos”, благодаря применению при изготовлении варисторов многослойной структуры SIOV-CN и их SMD-исполнения (безвыводная конструкция для поверхностного монтажа), удается добиться времени срабатывания менее 0,5 не (при расположении таких элементов на печатной плате для получения указанного быстродействия уже необходимо минимизировать индуктивности внешних соединительных проводников).

В дисковой конструкции варисторов за счет индуктивности выводов время срабатывания увеличивается до нескольких наносекунд.

Малое время срабатывания, высокая надежность, отличные пиковые электрические характеристики в широком диапазоне рабочей температуры при малых размерах ставят многослойные варисторы на первое место при выборе элементов защиты от статических зарядов.

Внешний вид варисторов

Рис. 2. Внешний вид варисторов.

Внешний вид мощных варисторов

Рис. 3. Внешний вид мощных варисторов.

Например, в области производства сотовых телефонов многослойные варисторы можно считать уже стандартом в защите от статического электричества.

CN-варисторы могут надежно защищать от статических разрядов: клавиатуры, разъемы для подключения факса и модема, соединители зарядных устройств, входы интегральных аналоговых микросхем, выводы микропроцессоров.

Характеристики варисторов

Основными параметрами, которые используют при описании характеристик варисторов, являются:

  • Un — классификационное напряжение, обычно измеряемое при токе 1 мА, — это условный параметр, который указывается при маркировке элементов;
  • Um - максимально допустимое действующее переменное напряжение (среднеквадратичное);
  • Um= — максимально допустимое постоянное напряжение;
  • Р — номинальная средняя рассеиваемая мощность, это та, которую варистор может рассеивать в течение всего срока службы при сохранении параметров в установленных пределах;
  • W — максимальная допустимая поглощаемая энергия в джоулях (Дж), при воздействии одиночного импульса. 
  • Ipp — максимальный импульсный ток, для которого время нарастания/длительность импульса: 8/20 мкс;
  • Со — емкость, измеренная в закрытом состоянии, при работе ее значение зависит от приложенного напряжения, и когда вари-стор пропускает через себя большой ток, она падает до нуля.

От величины W зависит, как долго может действовать перегрузка (с максимальной мощностью Рт) без опасности повредить варистор, т. е.:

Варисторы - принцип работы, типы и применение

Для применения рабочее напряжение у варисторов выбирается исходя из допустимой энергии рассеяния и максимально допустимой амплитуды напряжения. Напряжение ограничения примерно равно квалификационному напряжению (Un) варистора.

Для ориентировочных расчетов рекомендуется, чтобы на переменном напряжении оно не превышало Uвх <= 0,6Un, а на постоянном — Uвх < 0,85Un.

Для сети с действующим напряжением 220 В (50 Гц) обычно устанавливают варисторы с классификационным напряжением не ниже 380...430 В. Для варистора с классификационным напряжением 430 В при импульсе тока 100 А напряжение будет ограничено на уровне около 600 В.

В России крупнейшим производителем варисторов (СН2-1, BP-1, СН2-2) является завод «Прогресс» (г. Ухта). Параметры некоторых из таких варисторов приведены в табл. 1.

Таблица 1. Основные параметры варисторов отечественного производства.

Тип

Un,

Um~,

Um=,

W,

варистора

В

В

В

Дж

ВР-1-1

10

6

8

0,18

ВР-1-1

15

9

12

0,26

ВР-1-1

22

14

18

0,56

ВР-1-1

27

17

22

0,64

ВР-1-1

33

20

26

0,71

СН2-1а

СН2-16

СН2-1В

180

115

150

37,8

18,0

4,5

СН2-1а

СН2-16

СН2-1В

200

130

170

42.0

20

5.0

СН2-2А,

СН2-1а,

СН2-16

390

250

320

125

81,9

40

СН2-2А,

СН2-1а,

СН2-16

430

275

350

138

90,3

43

Примечание. Емкость для отечественных варисторов не указывается.

Из всего разнообразия выпускаемых за рубежом варисторов параметры одного из типов, имеющих дисковую конструкцию, приведены в табл. 2 (другие типы имеют близкие параметры).

Они выпускаются на рабочие напряжения от 4 до 1500 В с небольшим шагом, но в продаже вы вряд ли найдете все номиналы из ряда (в случае необходимости можно заказать их изготовление на любое напряжение для поставки больших партий), но обычно можно использовать ближайшие номиналы из ряда в сторону увеличения напряжения.

Таблица 2. Основные параметры дисковых варисторов серии TVR.

Тип

варистора

Un,

В

Um~,

В

Um=,

В

w,

Дж

Co,

пФ

TVR 05 180

18

11

14

0,4

1600

TVR 07 180

18

11

14

0,9

3800

TVR 10 180

18

11

14

2,1

9000

TVR 14180

18

11

14

4,0

22000

TVR 20 180

18

11

14

11,0

44000

TVR 05 270

27

17

22

0,6

1260

TVR 07 270

27

17

22

1,4

2400

TVR 10 270

27

17

22

3,0

4800

TVR 14 270

27

17

22

6,0

12000

TVR 20 270

27

17

22

18,0

26000

TVR 05 391

390

250

320

12

85

TVR 07 391

390

250

320

25

160

TVR 10 391

390

250

320

60

270

TVR 14 391

390

250

320

100

500

TVR 20 391

390

250

320

180

1000

TVR 05 431

430

275

350

13

80

TVR 07 431

430

275

350

28

150

TVR 10 431

430

275

350

65

250

TVR 14 431

430 '

275

350

115

450

TVR 20 431

430

275

350

190

900

Для повышения рассеиваемой мощности варисторы можно включать последовательно (или параллельно, если подбирать их по идентичным параметрам). Размеры варисторов зависят от мощности, но так как такие элементы работают при импульсной перегрузке, чаще указывают рассеиваемую энергию в джоулях:

формула 1

которая связана с мощностью соотношением:

Варисторы формула расчета мощности

Для выбора варистора с необходимой энергией рассеивания для защиты нагрузок, потребляющих мощность более 1...2 кВт, в практических расчетах можно руководствоваться приведенной в [21] формулой:

Варисторы формула расчета энергии рассеивания

где:

  • W — максимальная мгновенная энергия в джоулях;
  • Р — номинальная мощность нагрузки, приходящаяся на одну фазу, Вт;
  • а — коэффициент нелинейности варистора;
  • f — частота переменного напряжения, Гц;
  • n — КПД защищаемой нагрузки.

Максимально допустимое значение рассеиваемой энергии у примененного варистора должно превышать эту величину.

Так как перегрев варистора приводит к его повреждению, выпускаются такие элементы и с уникальными свойствами, например, имеющие температурную защиту — размыкающий механический контакт в защищаемой цепи, что значительно повышает надежность работы узла.

Сравнение основных характеристик варисторов разных типов можно найти в Интернет. Суть его заключается в том, что отечественные производители выпускают компоненты по техническим параметрам не хуже, чем это делают за рубежом (правда, приобрести их радиолюбителю намного сложней — в продаже чаще можно встретить импортные).

В качестве основного недостатка варистора можно отметить его большую собственную емкость, которая вносится в цепь. В зависимости от конструкции, типа и номинального напряжения эта емкость может составлять от 80 до 30000 пФ.

Впрочем, для некоторых применений большая емкость может быть и достоинством, например в фильтре, совмещающем в себе функцию ограничения напряжения (для таких применений можно заказать изготовление варисторов с повышенной емкостью).

Вторым недостатком является меньшая максимальная допустимая рассеиваемая мощность по сравнению с разрядниками (для увеличения мощности рассеивания изготовители увеличивают размеры корпуса варистора).

Литература: Радиолюбителям полезные схемы, Книга 5. Шелестов И.П.

10 2301 Другие справочные данные
варистор знания справочник
Комментарии (4):
#1 Виталий Сентябрь 15 2016
+5

Здравствуйте. Хотел узать как заказать у вас варисторы ВР 1-1 27 В и склько будут стоить?

#2 root Сентябрь 15 2016
+3

Здравствуйте, Виталий. Наш сайт носит информационный характер, прямыми продажами электронных компонентов и блоков мы не занимаемся.

#3 Александр Сентябрь 16 2016
+4

Здравствуйте! Как вы считаете, импортный варистор типа JVR-14N391K (390В) в цепь на 220 В допустимо устанавливать для защиты ТВ и ПЭВМ в обычный фильтр с автоматом на 10А?

#4 root Сентябрь 16 2016
+12

Александр, в даташите для JVR14N391K написано:

  • metal-oxide (металлооксидный);
  • THT (способ монтажа);
  • 250VAC, 320VDC (максимально оперируемое переменное и постоянное напряжение);
  • 390V ±10% (напряжение варистора с возможным отклонением);
  • 4,5kA (максимальный ток через варистор на протяжении 8/20нс);


варистор JVR14N391K
Такой варистор можно использовать в сетевом фильтре на 220В.

cashback