Варисторы: принцип действия, основные характеристики и параметры

Каждый электронный прибор, который включен в сеть нуждается в защите от превышения пороговых значений тока или напряжения. Для защиты по току применяют различные плавкие предохранители и автоматические выключатели, а вот для предохранения устройства от перенапряжения чаще всего применяют варисторы. В данной статье мы рассмотрим принцип работы варистора, его характеристики, достоинства и недостатки этого электронного компонента.

Основные параметры

Варистор – это резистор-полупроводник, его основополагающим принципом действия является снижение сопротивления материала полупроводника при повышении напряжения, благодаря этому его признают одним из самых работоспособных и недорогих средств защиты от напряжений импульсов разного вида.

Основные характеристики и параметры варисторов, которые могут помочь при выборе:

Un – классификационное напряжение с силой тока в 1 мА;
P – мощность, отвечает за силу рассеивания элемента;
W – наибольшая энергетическая сила импульса;
Ipp – наибольшее количество тока с импульса;
Co –размеры в закрытом виде.

Проверка элемента

Зная, как работает варистор, можно легко проверить его на исправность. Существует три способа проверки данного компонента. Первый из них – самый простой, поскольку представляет собой визуальный осмотр (трещины, следы оплавления или вздутия сразу будут заметны). Если устройство запылено, рекомендуется очистить его от пыли. Второй способ потребует наличия и опыта работы с мультиметром, который должен показывать сопротивление ближе к бесконечности. Третий способ потребует прозвонить цепь, что потребует отпаять одну из ножек нелинейного резистора (рабочий варистор не пропустит ток). В случаях, когда маркировка на корпусе варистора стерта, поможет мегомметр.

Применение в быту

Характеристики элемента позволяют применять его в устройствах, связанных с каналами связи, различными входами для оборудования, использовать варисторы для генераторов.

Они устанавливаются в сетевых фильтрах специальных удлинителей, а также в других качественных входных моделях для защиты. Элемент рекомендуется монтировать в китайскую технику во избежание быстрых поломок. Для обеспечения безопасности всего помещения варистор необходимо установить на дин-рейку.

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.

Как работает варистор

Заключается принцип действия варистора в том, что такое включение происходит параллельно защищаемому устройству. При обычном использовании элемент подвергается напряжению оборудования. При действии сила тока детали очень мала, и в это время она является изолятором. Когда возникает импульс напряжения, нелинейный механизм с вольтамперными характеристиками включается и сразу понижает сопротивление, нагрузка на оборудование шунтируется. В данном случае через электронный элемент за короткий срок может проходить ток, достигающий размеров в несколько тысяч ампер. После погашения импульса с напряжением вновь восстанавливается сопротивление. То есть устройству обеспечивается защита при рассеивании поглощенной энергии в виде тепла.

Применение варисторов в условиях нормального функционирования электричества в помещении деталь не влияет на уровень работы прибора. Но, если появится угроза критической величины напряжения, она будет непременно устранена, что позволит сохранить оборудование даже при слабом изолировании. Иначе говоря, варистор выступает в качестве стабилизатора напряжения и аналога предохранителя двигателя.

Пример реализации защиты

На рисунке 4 показан фрагмент принципиальной схемы БП компьютера, на котором наглядно показано типовое подключение варистора (выделено красным).

Рисунок 4. Варистор в блоке питания АТХ

Судя по рисунку, в схеме используется элемент TVR 10471К, используем его в качестве примера расшифровки маркировки:

первые три буквы обозначают тип, в нашем случае это серия TVR;
последующие две цифры указывают диаметр корпуса в миллиметрах, соответственно, у нашей детали диаметр 10 мм;
далее идут три цифры, которые указывают действующее напряжение для данного элемента. Расшифровывается следующим образом: XXY = XX*10y, в нашем случае это 47*101, то есть 470 вольт;
последняя буква указывает класс точности, «К» соответствует 10%.

Можно встретить и более простую маркировку, например, К275, в этом случае К – это класс точности (10%), последующие три цифры обозначают величину действующего напряжения, то есть, 275 вольт.

Маркировка варисторов

Обычно маркировка варисторов представлена в виде следующих обозначений на схеме:

диаметр;
классификационное напряжение.

Пример расшифровки: 15D 364K, где 15D – это диаметр, а 364K классификационное напряжение варистора. При покупке или замене варистора производится расчет необходимых данных. По маркировкам производится поиск линеек их аналогов.

Возможны и другие знаки, зависящие от конкретного прибора или фирмы и расположенные либо на корпусе, либо на плате.

Положительные стороны варисторов

К положительной стороне использование варисторов на работе или в быту является:

возможность работы с устройством при больших нагрузках, связанных с высоким напряжением;
надежная защита варистором прибора от перенапряжения;
невысокая цена;
обширная сфера применения;
обеспечение надежной эксплуатации;
понятная и простая технология применения.

Достоинства и недостатки

Для использования варистора следует ознакомиться с его положительными и отрицательными сторонами, поскольку от этого зависит защита электроники. К положительным качествам следует отнести следующие:

Высокое время срабатывания.
Отслеживание перепадов при помощи безинерционного метода.
Широкий диапазон напряжений: от 12 В до 1,8 кВ.
Длительный срок службы.
Низкая стоимость.

У варистора, кроме его достоинств, существуют серьезные недостатки, на которые следует обратить внимание при разработке какого-либо устройства. К ним относятся:

Большая емкость.
Не рассеивают мощность при максимальном значении напряжения.

Емкость полупроводникового прибора находится в пределах от 70 до 3200 пФ и, следовательно, существенно влияет на работу схемы. Эта величина зависит от конструкции и типа прибора, а также от напряжения. Однако в некоторых случаях этот недостаток является достоинством при использовании его в фильтрах. Значение большей емкости ограничивает величину напряжения.

При максимальных значениях напряжения для рассеивания мощности следует применять варисторы-разрядники, поскольку обыкновенный полупроводниковый прибор перегреется и выйдет из строя. Каждому радиолюбителю следует знать алгоритм проверки варистора, поскольку при обращении в сервисные центры существует вероятность заплатить за ремонт больше, чем он стоит в действительности.

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:

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.
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.
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
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
Если визуальный осмотр не дал результатов, следует проверить варистор мультиметром, для этого выпаиваем деталь.
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
Касаемся щупами выводов и измеряем сопротивление варистора. Оно должно быть бесконечно большим. Иное значение указывает на неисправность варистора, следовательно, его необходимо заменить.

Виды варисторов

Выделяют виды варисторов по уровню рабочего напряжения:

высоковольтные (до 20 кВ);
низковольтные (от 3 до 200 В).

5555

Деление элементов происходит также по материалу. По большей мере они изготавливаются из оксида цинка, являющегося хорошим поглотителем больших импульсов напряжения.

Подразделяются изделия по странам изготовителям. Отечественные варисторы включает в себя такие модели, как ВР-1-1, СН2-1а и так далее. Импортные имеют следующие обозначения: S 6 K 210, CN 1210 M 8 и другие подобные.

Основополагающей характеристикой при разработке варисторов является время срабатывания при повышении напряжения, так как среднее значение начала работы многих элементов является 25 нс, что для многих устройств является недостаточным. Сегодня активно проводятся исследования варисторов и их разработки для улучшения качества показаний этого параметра.

Так, появились многослойные детали. Благодаря безвыводной конструкции с поверхностным монтажом они достигли рекордной в свое время скорости работы – менее чем 0,5 нс. Однако, для такого скоростного действия необходимо свести к минимуму индуктивность внешних факторов.

Многослойные элементы стоят на лидирующих позициях при необходимости защиты от статических зарядов. Их по большей части используют на производствах мобильных устройств.

Дисковые варисторы за счет формы увеличивают время индуктивности вывода и реакции на увеличение напряжения.

Типы HEL- и CN-варисторов хорошо защищают от статического напряжения. Их устанавливают в различные разъемы и входы для компьютеров.

Советы по выбору

Описание варистора на сайте поможет подобрать оптимальный тип устройства для защиты электрооборудования от перегрузок. Для этого следует знать такие параметры, как мощность импульсов, образующихся при коммутации, а также величина сопротивления источника на входе. Для эффективной защиты рекомендуется выбирать устройство с напряжением, имеющим небольшой запас к номинальному.

Хоть время срабатывания варистора и является отличным значением, но в некоторых случаях оно оказывается недостаточным. В качестве альтернативы существует технология SMD-резисторов, время срабатывания которых варьируется от 0,5 наносекунд и выше.

Как же найти на плате варистор

Выглядит обозначение варистора на схеме как классический резистор, перечеркнутый прямой, а в левом углу имеется обозначение буквы U. Обычно данный элемент подписан, как RU или VA.

Основной целью изобретения варистора является обеспечение защиты электрическим цепям. За счет изменения сопротивления структуры полупроводников во время действия большого напряжения элемент берет на себя нагрузку возросшего тока, что позволяет избежать в работе и быту электрического перенапряжения, поломок приборов и возгораний. Сейчас наилучшим видом варистора является многослойный элемент. Он обеспечит лучшую защиту от статического напряжения благодаря максимально короткому времени срабатывания (менее 0,5 нс).

Устройство

Варисторы устроены достаточно просто — внутри есть кристалл полупроводникового материала, чаще всего это Оксид Цинка (ZiO) или Карбид Кремния (SiC). Прессованный порошок этих материалов подвергают высокотемпературной обработке (запекают) и покрывают диэлектрической оболочкой. Встречаются либо в исполнении с аксиальными выводами, для монтажа в отверстия на печатной плате, а также в SMD-корпусе.