Выбор варистора для схемы
Электрические свойства варисторов характеризуются рядом параметров:
- максимальное длительное напряжение на клеммах варистора (действующее или постоянное),
- номинальное напряжение, возникающее на варисторе при протекании через него тока силой 1 мА (номинальное напряжение это точка на вольтамперной характеристике варисторов, позволяющая сравнивать разные модели между собой),
- максимальная интенсивность броска тока,
- напряжение на варисторе при скачке тока,
- максимально допустимая энергия импульса тока 10 мкс/1000 мкс, что не изменит номинальное напряжение варистора более чем на 10 %.
Варистор, выбранный не в соответствии с требованиями схемы, не будет выполнять свою функцию должным образом, поэтому несмотря на его наличие, чувствительные электронные компоненты в плохо защищенной цепи могут быть повреждены или разрушены. Так что следует соблюдать несколько принципов:
- Максимальное длительное напряжение на клеммах варистора лучше если оно не менее чем на 10 % превышает максимальное напряжение, присутствующее в защищаемой цепи при нормальных условиях эксплуатации. В противном случае элемент будет изнашиваться слишком быстро.
- Надо знать какие броски тока можно ожидать в данной цепи и, следовательно, каким видам перенапряжений она может подвергаться. Важны не только величина и продолжительность, но и количество бросков тока. Эффективность защиты, обеспечиваемой варистором, также должна соответствовать требованиям всех стандартов безопасности, которые охватывают устройство.
Итого, варисторы являются популярными защитными элементами по нескольким причинам. Прежде всего они ценятся за эффективность, себестоимость производства достаточно низкая. Кроме того, их можно использовать в очень широком диапазоне напряжений до сотен киловольт.
И в завершение показаны варисторы в качестве защиты а) источника питания и б) тиристорного моста.
Маркировка конечно немного отличается у разных производителей, поэтому просто приведём типовой пример в таблице выше.
Применение в быту
Назначение варисторов — защита цепи при импульсах и перенапряжениях на линии. Это свойство позволило рассматриваемым элементам найти свое применение в качестве защиты:
- линий связи;
- информационных входов электронных устройств;
- силовых цепей.
В большинстве дешевых блоков питания не устанавливают никаких защит. А вот в хороших моделях по входу устанавливают варисторы.
Кроме того, все знают, что компьютер нужно подключать к питанию через специальный удлинитель с кнопкой — сетевой фильтр. Он не только фильтрует помехи, в схемах нормальных фильтров также устанавливают варисторы.
Часто электрики рекомендуют защитить китайские светодиодные лампы, установив варистор параллельно патрону. Также защищают и другие устройства, некоторые монтируют варистор в розетку или в вилку, чтобы обезопасить подключаемую технику.
Чтобы защитить всю квартиру — вы можете установить варистор на дин-рейку, в хороших устройствах в корпусе расположены настоящие мощные варисторы диаметром с кулак. Примером такого устройства является ОИН-1, который изображен на фото ниже:
Напоследок рекомендуем просмотреть полезные видео по теме статьи:
Литература
- Metal-Oxide Varistors (MOVs). PRODUCT CATALOG & DESIGN GUIDE. Littelfuse.
- Electronics Circuit Protection Product Selection Guide. Littelfuse.
- Антон Стильве. Варистор варистору рознь: надежная защита от скачков напряжения.
- Алексей Попов, Сергей Попов. Миниатюрное решение: варисторы Littelfuse для поверхностного монтажа.
- Вячеслав Гавриков. Где и как применять защитные тиристоры SIDACtor от Littelfuse.
- Вячеслав Гавриков. ESD-сборки для защиты промышленного и уличного Ethernet.
- Вячеслав гавриков. USB, HDMI, Ethernet: низкоемкостные ESD-сборки для защиты высокоскоростных интерфейсов.
- Александр Донцов. Защита систем светодиодного освещения от перегрузок.
- Вячеслав Гавриков. Газоразрядники Littelfuse: там, где полупроводники бессильны.
- https://www.littelfuse.com.
Защита от перенапряжения для коммутации постоянного тока с MOV (металлооксидным варистором)
Назад к блогу
Приложения и инструкции
Аарон Расмуссен |
12 ноября 2019 г.
Рекомендуемые продукты
Добавление защиты от перенапряжения для коммутации постоянного тока в вашем приложении защитит уязвимые компоненты цепи, такие как электромагнитный тормоз и выпрямители сцепления, от переходных напряжений. Без этой защиты вы рискуете преждевременно изнашивать контакты вашего выпрямителя. Одним из способов защиты от этих скачков является установка MOV.
MOV, установленный в приложении для проверки защиты от перенапряжения для коммутационных приложений постоянного тока
Что такое MOV?
Металлооксидный варистор (MOV) представляет собой резистор, зависящий от напряжения. Другими словами, это электрический компонент, сопротивление которого зависит от напряжения. Они используются для защиты уязвимых компонентов цепи от коротких скачков напряжения
Что происходит, когда отключается питание тормоза?
Когда на электромагнит подается питание, часть этой энергии накапливается в катушке магнита.
Зачем беспокоиться о переходных напряжениях?
В случае электромагнитного тормоза это переходное напряжение, вызванное переключением тормоза, может привести к повреждению и преждевременному износу контактов вашего выпрямителя до точки отказа. В более крупных катушках с более высоким напряжением это результирующее переходное напряжение может потенциально повлиять на другие части вашей схемы. Двигатели, частотно-регулируемые приводы, контроллеры и другие уязвимые компоненты цепи должны быть защищены от этих скачков напряжения.
Как предотвратить эти скачки напряжения
MOV — это экономичный способ защитить ваши электрические компоненты от потенциально опасных и разрушительных переходных напряжений.
Пример рампы для неуправляемых грузовиков, поясняющий роль MOV в обеспечении защиты от перенапряжения для коммутационных приложений постоянного тока. В нормальных условиях грузовики могут оставаться на дороге и не подвергаться никакой опасности. Если что-то происходит, когда происходит увеличение скорости, и это невозможно контролировать, они направляются к рампе для разбега, чтобы безопасно сместить эту избыточную скорость.
Как настроить MOV для работы с переходными напряжениями
Теперь мы рассмотрим типичную установку электромагнитного тормоза и проверим переходное напряжение с MOV и без него
- Экспериментальная установка
- Следы прицела
- Экспериментально продемонстрировать, почему MOV является полезным компонентом
Тестовая установка защиты от перенапряжения MOV.
На изображении выше показаны следующие компоненты:
- 1. Магнитная катушка KEB 205 В постоянного тока
- 2. Зонд изоляции
- 3. Контакты цепи датчика изоляции
- 4. Провод тормозной катушки
- 5. Металлооксидный варистор (MOV)
- 6. Однополупериодный выпрямитель KEB Combitron 91
- 7. Контактор для переключения стороны постоянного тока, питание 120 В переменного тока
- 8. 3 фазы, 480 В переменного тока
На изображении выше показано, насколько большим может быть переходное напряжение во время операций переключения постоянного тока. В этом испытании пик переходного напряжения составил 3,54 кВ. Протестированная тормозная катушка рассчитана на 2,3 кВ, и переключение без какой-либо защиты не будет идеальным для любого применения. Со временем переходные напряжения во время переключения могут повредить тормозную катушку, что приведет к ее преждевременному выходу из строя.
На изображении выше показан сигнал переключения постоянного тока при установленном MOV.
Варистор — это… Что такое Варистор?
Обозначение на схеме
Вари́стор (англ. vari(able) (resi)stor — переменный резистор) — полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление (проводимость) которого нелинейно зависит от приложенного напряжения, то есть обладающий нелинейной симметричной вольт-амперной характеристикой и имеющий два вывода. Благодаря отсутствию сопровождающих токов при скачкообразном изменении приложенного напряжения, варисторы являются основным элементом для производства устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). В русскоязычной литературе часто применяется термин разрядник для обозначения варистора или устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) на основе варистора.
Изготовление
Изготавливают варисторы спеканием при температуре около 1700 °C полупроводника — преимущественно порошкообразного карбида кремния SiC или оксида цинка ZnO, и связующего вещества (глина, жидкое стекло, лаки, смолы и др.).
Конструктивно варисторы выполняются обычно в виде дисков, таблеток, стержней; существуют бусинковые и плёночные варисторы. Широкое распространение получили стержневые подстроечные варисторы с подвижным контактом.
Свойства
Нелинейность характеристик варисторов обусловлена локальным нагревом соприкасающихся граней многочисленных кристаллов карбида кремния (или иного полупроводника). При локальном повышении температуры на границах кристаллов сопротивление последних существенно снижается, что приводит к уменьшению общего сопротивления варисторов.
Один из основных параметров варистора — коэффициент нелинейности λ — определяется отношением его статического сопротивления R к динамическому сопротивлению Rd:
где U и I — напряжение и ток варистора.
Коэффициент нелинейности лежит в пределах 2-10 у варисторов на основе SiC и 20-100 у варисторов на основе ZnO.
Температурный коэффициент сопротивления варистора — отрицательная величина.
Применение
Низковольтные варисторы изготавливают на рабочее напряжение от 3 до 200 В и ток от 0,1 мА до 1 А; высоковольтные варисторы — на рабочее напряжение до 20 кВ.
Варисторы применяются для стабилизации и регулирования низкочастотных токов и напряжений, в аналоговых вычислителях — для возведения в степень, извлечения корней и других математических действий, в цепях защиты от перенапряжений (например, высоковольтные линии электропередачи, линии связи, электрические приборы) и др.
Высоковольтные варисторы применяются для изготовления ограничителей перенапряжения.
Как электронные компоненты, варисторы дёшевы и надёжны, способны выдерживать значительные электрические перегрузки, могут работать на высокой частоте (до 500 кГц). Среди недостатков — значительный низкочастотный шум и старение — изменение параметров со временем и при колебаниях температуры.
Параметры
- Вольт-амперная характеристика
- Классификационное напряжение, В — напряжение при определённом токе (обычно изготовители указывают при 1 мА), практической ценности не представляет.
- Рабочее напряжение (Operating voltage) В (для пост. тока Vdc и Vrms — для переменного) — диапазон — от нескольких В до нескольких десятков кВ; данное напряжение должно быть превышено только при перенапряжениях.
- Рабочий ток (Operating Current), А — диапазон — от 0,1 мА до 1 А
- Максимальный импульсный ток (Peak Surge Current), А
- Поглощаемая энергия (Absorption energy), Дж
- Коэффициент нелинейности
- Температурные коэффициенты (статич. сопротивления, напряжения, тока) — для всех типов варисторов не превышает 0,1 % на градус
Литература
- В. Г. Герасимов, О. М. Князьков, А. Е. Краснопольский, В. В. Сухоруков (Под ред. В. Г. Герасимова). Основы промышленной электроники: Учебник для вузов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1978.
- В. Г. Колесников (главный редактор). Электроника: Энциклопедический словарь. — 1-е изд. — М.: Сов. энциклопедия, 1991. — С. 54. — ISBN 5-85270-062-2
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.
ВАХ, схема замещения и параметры варисторов
Обычно ВАХ варисторов в документации изображают в логарифмическом масштабе (рисунок 4). При этом на ней можно отметить три характерных области: область токов утечки, область нормальной работы и критическая область. В области токов утечки характеристика имеет линейный вид, а изменение напряжения в широких пределах слабо влияет на величину тока. В области нормальной работы происходит открытие варистора: даже незначительное увеличение напряжения приводит к изменению тока на несколько порядков. Критическая область характеризует работу варистора на пределе его возможностей.
Рис. 4. ВАХ варистора в логарифмическом масштабе
Для того чтобы воспроизвести ВАХ варистора, можно использовать упрощенную схему замещения (рисунок 5). Roff имеет большое сопротивление (сотни МОм) и характеризует сопротивление варистора в режиме малых токов (область токов утечки). Roff достаточно сильно зависит от температуры, поэтому в этой области также явно проявляется температурная зависимость тока утечки. Rx – переменное нелинейное сопротивление с диапазоном значений 0…∞ Ом. В режиме малых токов величиной Rx можно пренебречь, зато в режиме ограничения это сопротивление шунтирует Roff и, по сути, определяет сопротивление варистора. Сопротивление Ron характеризует сопротивление варистора при максимальных токах в критических режимах работы. Индуктивность L характеризует паразитную индуктивность выводов. Паразитная емкость С наравне с паразитной индуктивностью определяет динамические свойства варисторов.
Рис. 5. Эквивалентная схема замещения варистора
Собственные динамические свойства варистора оказываются замечательными. Например, на рисунке 6 представлены диаграммы импульса напряжения на нагрузке без варистора и с параллельно включенным варистором. Скорость срабатывания варистора столь высока, что он практически без задержки реагирует на перенапряжение фронтом всего 500 пс. К сожалению, в данном случае в качестве варистора выступает пластина ZnO, подключенная напрямую к коаксиальной линии. В реальности выводные варисторы имеют огромную паразитную индуктивность, которая практически полностью сводит на нет реальное быстродействие ZnO.
Рис. 6. Собственное быстродействие варистора очень высоко
Паразитная индуктивность вносит задержку, которая выражается в небольшом начальном перенапряжении. Чем выше скорость нарастания импульса, тем выше перенапряжение. На рисунке 7 демонстрируется увеличение напряжения включения варистора при увеличении скорости нарастания импульса.
Рис. 7. Напряжение включения варистора зависит от формы импульса
Варисторы имеют значительную паразитную емкость, которая негативно влияет на работу быстродействующих цепей. Это одна из причин, по которой варисторы не используют для защиты сигнальных линий высокочастотных интерфейсов. Очевидно, что чем больше диаметр диска варистора, тем больше будет его паразитная емкость.
Еще одним важным параметром варисторов является ток утечки. Во многих приложениях, например, в измерительных схемах, высокий ток утечки может существенно ухудшить метрологические характеристики. Кроме того, ток утечки негативно сказывается на общем потреблении схемы, что критично для малопотребляющих устройств.
При выборе варисторов необходимо учитывать различные температурные зависимости. Мы уже отмечали, что в области токов утечки наблюдается сильная зависимость сопротивления варистора от температуры. Кроме того, следует помнить о дерейтинге – уменьшении предельной рассеиваемой мощности при увеличении температуры окружающей среды (рисунок 8).
Рис. 8. Снижение предельной рассеиваемой мощности при увеличении температуры (дерейтинг)
Одним из крупнейших производителей варисторов является компания Littelfuse. Рассмотрим номенклатуру варисторов производства этой компании подробнее.
Проверка на исправность
Для поиска неисправностей необходима схема устройства. Для примера следует обратиться к схеме 2, в которой применяется варистор. В ней будет рассмотрен только вариант выхода из строя полупроводникового резистора. Основным этапом поиска неисправностей является подготовка рабочего места и инструмента, которая позволяет сосредоточиться на выполнении ремонта и произвести его качественно. Для ремонтных работ потребуется следующий инструмент:
- Отвертка.
- Щетка, которая нужна для очистки платы от пыли. Следует производить очистку постоянно, поскольку она является проводником электричества. В результате этого может произойти выход из строя определенного элемента схемы или короткое замыкание.
- Паяльник, олово и канифоль.
- Мультиметр для диагностики радиокомпонентов.
- Увеличительное стекло для просмотра маркировки.
После подготовки рабочего места и инструмента следует аккуратно разобрать сетевой фильтр, а затем при необходимости произвести очистку от пыли и мусора.
Схема 2 — Схема электрическая принципиальная сетевого фильтра на 220 вольт и его доработка.
Найти варистор и произвести его визуальный осмотр. Корпус должен быть целым и без трещин. Если было обнаружено нарушение целостности корпуса, то его необходимо выпаять и произвести замену на такой же или выбрать аналог. Необходимо отметить, что полярность подключения варистора в цепь не имеет значения. Если механические повреждения не обнаружены, то следует перейти к его диагностике, которая производится двумя способами:
- Измерение сопротивления.
- Поиск неисправности, исходя из технических характеристик элемента.
В первом случае деталь выпаивается из платы и замеряется значение ее сопротивления при помощи мультиметра. Переключатель ставится в положение максимального диапазона измерений (2 МОм достаточно). При замере не следует касаться руками варистора, поскольку прибор покажет сопротивление тела. Если мультиметр показывает высокие значения, то радиокомпонент исправен, а при других значениях его следует заменить. После замены следует собрать корпус и произвести включение сетевого фильтра.
Существует и другой способ выявления неисправного варистора, основанный на анализе характеристик элемента. Его, как правило, используют в том случае, если замер величины сопротивления не дал необходимых результатов. Для этого следует обратиться к техническим характеристикам варистора, согласно которым можно выявить его неисправность.
Следует проверить силу тока, при которой он работает, поскольку ее значение может быть меньше необходимой. В этом случае он не будет работать. Также нужно проверить величину напряжения, на которую он рассчитан. Если по каким-либо причинам эти показатели меньше допустимых, то полупроводниковый резистор не откроется.
Таким образом, варистор получил широкое применение в различных устройствах защиты от перепадов напряжения и блоках питания, а также статического электричества. Современные технологии позволяют получить низкие показатели времени срабатывания, благодаря которому сферы применения этого радиоэлемента расширяются.
Варистором называется нелинейный резистор, который применяется в радиоэлектронных цепях и обеспечивает защиту включенных в сеть приборов от перенапряжения. Его отличительной чертой является нелинейная вольт-амперная характеристика. В зависимости от величины воздействующего на деталь напряжения ее сопротивление может колебаться в значительных пределах – от нескольких десятков до сотен миллионов Ом. В этой статье мы поговорим о том, для чего нужен варистор, каков его принцип действия и как производится его подключение и проверка детали на исправность.
Выбор варистора
Чтобы эффективно и гарантированно защитить вашу технику, к выбору варистора необходимо подойти с умом. Как правило, для защиты бытовой техники используют варисторы с пороговым значением напряжения от 275 до 430 В. Особо углубляться в подбор варисторов с учетом других значений (емкость и т.п) мы вдаваться не будем. Тут есть множество нюансов, которые в формате этой статьи просто не удастся рассмотреть. Для более точного подбора варистора можем посоветовать использование справочников по варисторам. В них указаны все характеристики, которыми обладает тот или иной варистор. Что позволит вам выбрать наиболее подходящий для ваших целей и задач.
Еще одним важным параметром при выборе варистора является скорость срабатывания. Как правило, у большинства варисторов она составляет около 25 нс. Но не всегда этого хватает.
Тогда вам подойдут варисторы с меньшим временем срабатывания. Недостижимым идеалом по скорости срабатывания являются варисторы, изготовленные по технологии многослойной структуры SIOV-CN. Их скорость срабатывания может составлять менее 1 не.
Такие варисторы необходимы для защиты от статического электричества. В бытовой технике, такие варисторы практически не применяются.
Слышали, наверно, про случаи, когда сразу у множества людей сгорала электроника? Это происходит как раз из-за того, что по проводам идет только фаза. Варистор предохраняет и от этого.
Главные свойства
В общем виде речь идет о своеобразном шунте, замыкающем на себе энергию, которая в избытке образуется при повышенном напряжении. Материал изготовления обычно служит оксид цинка или распространенный вариант с карбидом кремния. Для последнего характерны более низкая нелинейность характеристик. Элементы низковольтного типа функционируют в таком диапазоне – 2-200 В. А вот высоковольтные аналоги применяются при параметрах напряжения до 20 000 В.
Несмотря на внешнюю схожесть по своей внутренней конструкции варистор кардинально отличается от конденсатора.
На схеме обозначены следующие компоненты:
- А – паре электродов, имеющих форму диска;
- В – расположенные внутри кристаллы оксида цинка;
- С – изготовленная на основе эпоксидов полупроводниковая оболочка;
- D – изолятор из керамического материала;
- Е – рабочие выводы.
Порог срабатывания элемента напрямую зависит от содержания в его изоляционном керамическом слое оксида цинка. Параметры сопротивления при переходе напряжения за допустимый порог мгновенно снижаются. При этом показатели тока повышаются. Образующуюся в этот период тепловая энергия рассеивается в окружающем воздухе.
Краткосрочные скачки напряжения благодаря такому принципу действия не станут причиной выхода из строя бытовой техники. При значительном по времени импульсе возможно перегревание с последующим разрушением варистора. За несколько долей секунды в большинстве случаев успевает сработать предохранитель из плавкого материала.
Изложенная информация подтверждает необходимость, после каждой замены предохранителя, выполнять визуальный осмотр и тестирование с помощью мультиметра находящегося в составе схемы варистора. Небольшие дефекты в элементе при последующей эксплуатации приводят к поломке электронного устройства.
