Описание и принцип работы варистора, схематическое обозначение

Введение

В мире, где электроника играет все более важную роль в нашей повседневной жизни, защита электронных устройств от перенапряжений становится критически важной задачей. В этой статье мы рассмотрим одно из самых популярных и эффективных устройств защиты от перенапряжений — варисторы. Мы расскажем, как они работают, их основные применения, а также преимущества и ограничения использования варисторов.

Что такое варисторы?

Варистор — это нелинейный резистор, который изменяет свое сопротивление в зависимости от приложенного к нему напряжения. Он предназначен для защиты электрических и электронных устройств от скачков и перенапряжений, поглощая избыточную энергию и предотвращая повреждение других компонентов цепи. В нормальных условиях варистор обладает высоким сопротивлением и не проводит значительного тока, но при превышении определенного уровня напряжения его сопротивление резко падает, что позволяет ему эффективно проводить и рассеивать избыточную энергию.

Обозначение варистора на схеме

На схемах варисторы обычно обозначаются стандартным символом, который состоит из двух параллельных линий, соединенных вверху и внизу. Иногда символ варистора может быть дополнен диагональными стрелками, указывающими на его защитную функцию от перенапряжений. Вот пример символа варистора на электрической схеме:

Обратите внимание, что символ может незначительно различаться в различных схематических обозначениях в зависимости от стандарта или конкретного разработчика схемы. Однако основная форма символа варистора, с двумя параллельными линиями, остается преобладающей.

Помимо символа варистора на схеме, обычно присутствует идентификационная маркировка RU или обозначение, которое указывает на тип, модель или характеристики варистора. Это может быть серийный номер, буквенно-цифровое обозначение или другая информация, позволяющая идентифицировать конкретный варистор в схеме.

Основные характеристики варисторов

1. Напряжение срабатывания (Uvar): Это напряжение, при котором варистор начинает значительно снижать свое сопротивление и проводить ток. Обычно указывается как переменное или постоянное напряжение.
2. Максимальное рабочее напряжение (Vmax): Максимальное напряжение, при котором варистор может работать в течение длительного времени без повреждений.
3. Емкость (C): Варисторы обладают определенной емкостью, которая может влиять на высокочастотные характеристики цепи.
4. Энергетическая емкость (W): Количество энергии, которое варистор способен поглотить в течение короткого времени без повреждений. Измеряется в джоулях.
5. Ток утечки (Ileak): Ток, протекающий через варистор при напряжении, значительно ниже напряжения срабатывания. Обычно очень мал и находится в диапазоне микроампер или миллиампер.
6. Максимальный пиковый ток (Imax): Максимальный ток, который варистор может выдержать в течение короткого времени без разрушения.
7. Время отклика: Время, необходимое варистору для изменения сопротивления и начала проводимости при возникновении перенапряжения. Обычно очень мало, измеряется в наносекундах.

Типы варисторов

Существует несколько типов варисторов, различающихся по материалу, конструкции и применению. Вот некоторые из основных типов варисторов:

1. Металлоксидные варисторы (MOV — Metal Oxide Varistors):
   Металлоксидные варисторы являются наиболее распространенным типом варисторов. Они изготовлены из оксида цинка (ZnO) или других металлоксидов, таких как оксид бария (BaO) или оксид стронция (SrO). MOV-варисторы обладают высокой энергетической плотностью, низким сопротивлением и широким диапазоном рабочих напряжений. Они часто используются для защиты электроники от перенапряжений в бытовых и промышленных приложениях.
2. Полимерные варисторы (PVR — Polymer Varistors):
   Полимерные варисторы изготавливаются из полимерных материалов, содержащих наночастицы с высокой поляризуемостью. Они обладают высокой степенью гибкости, низким сопротивлением и хорошими защитными свойствами от перенапряжений. Полимерные варисторы обычно применяются в электронике, телекоммуникациях, автомобильной промышленности и других областях.
3. Оксид-варисторы (ZOV — Zinc-Oxide Varistors):
   Оксид-варисторы, также известные как оксидные источники напряжения, используют оксид цинка в качестве основного материала. Они обладают высокой энергетической поглощающей способностью, широким диапазоном рабочих напряжений и низким сопротивлением. Оксид-варисторы широко применяются в системах электропитания, электроэнергетике и других областях, где требуется высокая защита от перенапряжений.
4. Металлсульфидные варисторы:
   Металлсульфидные варисторы изготавливаются из металлсульфидных соединений, таких как селенид свинца (PbSe), сульфид кадмия (CdS) и других. Они обладают высоким сопротивлением и умеренной энергетической поглощающей способностью. Металлсульфидные варисторы широко применяются в электроэнергетике и системах электропитания.

Каждый тип варистора имеет свои уникальные характеристики и преимущества, и выбор конкретного типа зависит от требований и условий конкретного приложения.

Структура и состав варисторов

Варисторы обычно состоят из керамического или металлоксидного материала, такого как оксид цинка (ZnO). Этот материал имеет полупроводниковые свойства и обладает большим числом электронных уровней. Внутри варистора электронные уровни образуют зерна, которые разделены изоляционными областями. Это создает структуру семикондукторного материала с внутренними контактами.

Обычно варисторы имеют два электродных вывода, один для подключения к источнику питания, а другой для подключения к защищаемому устройству. Структура варистора позволяет эффективно поглощать избыточную энергию перенапряжений и превращать ее в тепло.

В некоторых случаях варисторы могут быть снабжены дополнительными элементами, такими как термисторы или предохранители, для обеспечения дополнительной защиты и стабильности работы электронных устройств.

Структура и состав варисторов могут варьироваться в зависимости от конкретного типа и модели варистора, а также от его предназначения и применения.

Принцип работы варисторов

Эффект варистора и его физическое объяснение

Эффект варистора основан на свойствах полупроводникового материала, из которого он изготовлен, обычно оксида цинка (ZnO). Внутри варистора есть множество зерен, разделенных изоляционными областями. Зерна состоят из полупроводникового материала, у которого есть множество электронных уровней. Когда варистор подключен к источнику питания, между зернами возникает электрическое поле.

Когда на варисторе отсутствуют перенапряжения, электроны внутри материала находятся на своих энергетических уровнях. Однако, когда возникает перенапряжение, электрическое поле становится достаточно сильным, чтобы сдвинуть электроны на более высокие энергетические уровни. Это приводит к изменению проводимости варистора.

Как варисторы реагируют на перенапряжения

Варисторы реагируют на перенапряжения путем изменения своего сопротивления. При нормальных условиях сопротивление варистора высоко, и он практически не влияет на электрическую цепь. Однако, когда на варисторе возникает перенапряжение, сопротивление резко уменьшается.

Когда напряжение превышает определенный уровень, называемый напряжением активации (breakdown voltage) или напряжением пробоя, варистор переходит в режим пробоя. В этом режиме сопротивление варистора снижается до очень низкого значения, позволяя протекать большому току. Таким образом, варистор поглощает избыточную энергию перенапряжения, предотвращая ее попадание в защищаемое устройство.

Изменение сопротивления варистора в зависимости от напряжения

Изменение сопротивления варистора в зависимости от напряжения описывается его ВАХ (вольт-амперная характеристика). В начале ВАХ сопротивление варистора почти постоянно, но при превышении напряжения пробоя сопротивление резко падает.

Чем выше напряжение на варисторе, тем ниже его сопротивление. Это явление происходит благодаря изменению количества примесей и электронных уровней внутри материала при повышении напряжения. Относительное изменение сопротивления варистора при изменении напряжения характеризуется его коэффициентом изменения сопротивления.

Таким образом, варисторы обеспечивают эффективную защиту электронных устройств от перенапряжений, реагируя на них и изменяя свое сопротивление для поглощения избыточной энергии.

Проверка варистора

Визуальный осмотр

Для начала осмотрите варистор на предмет видимых повреждений, таких как трещины, ожоги или обугленные участки. Если такие повреждения присутствуют, варистор необходимо заменить.

Проверка сопротивления

Чтобы проверить сопротивление варистора, отключите питание устройства и, при необходимости, демонтируйте варистор. Установите мультиметр в режим измерения сопротивления и подключите щупы к выводам варистора. В нормальных условиях исправный варистор будет показывать очень высокое сопротивление, вплоть до нескольких мегоомов или бесконечности. Если мультиметр показывает низкое сопротивление (порядка нескольких Ом или меньше), это свидетельствует о пробое варистора, и его необходимо заменить.

Проверка при номинальном напряжении

Если возможно, проведите проверку варистора при его номинальном рабочем напряжении. Подайте на варистор номинальное напряжение и измерьте ток через него. Важно проводить эту проверку безопасно, используя изолированные инструменты и защитные средства. При номинальном напряжении исправный варистор должен пропускать очень малый ток. Если ток слишком высок, варистор может быть поврежден.

Если варистор не проходит указанные проверки, его следует заменить на новый.

Применение варисторов

1. Защита электронных устройств от перенапряжений: Одним из основных применений варисторов является защита электронных устройств от перенапряжений в электрической сети. В случае возникновения перенапряжения, варисторы быстро реагируют, поглощают избыточную энергию и устанавливают напряжение на безопасном уровне, предотвращая повреждение электроники.
2. Использование варисторов в источниках питания: Варисторы часто используются в источниках питания для защиты от возможных перенапряжений входного напряжения. Они служат важным элементом, который предотвращает попадание высоких напряжений в систему питания и защищает электронные компоненты от повреждений.
3. Применение варисторов в электроэнергетических системах: Варисторы также широко применяются в электроэнергетических системах для защиты от перенапряжений, возникающих в результате молнии, короткого замыкания или других возмущений в сети. Они устанавливаются на границах электрической сети, чтобы предотвратить повреждение оборудования и обеспечить надежную работу системы.Варисторы могут быть также использованы в комбинации с другими защитными устройствами, такими как предохранители и транзисторы, для обеспечения комплексной защиты электроэнергетических систем.

Общая цель применения варисторов заключается в предотвращении повреждения электронных устройств и оборудования, а также обеспечении надежной работы электрических систем.

Преимущества использования варисторов

1. Высокая эффективность в защите от перенапряжений: Варисторы обладают способностью быстро реагировать на перенапряжения в электрической сети. Они поглощают избыточную энергию, предотвращая ее попадание в электронные устройства и оборудование. Благодаря этому варисторы обеспечивают высокую эффективность в защите и предотвращают повреждение ценной электроники.
2. Широкий диапазон рабочих напряжений: Варисторы могут работать с широким диапазоном напряжений, что делает их универсальными и применимыми в различных электрических сетях и системах. Они могут быть настроены на конкретные значения напряжений, обеспечивая защиту в заданном диапазоне.
3. Долговечность и надежность: Варисторы обычно обладают высокой степенью долговечности и надежности. Они способны выдерживать множество переключений и перегрузок без потери своих защитных свойств. Это делает их долговечными компонентами, способными обеспечивать постоянную защиту в течение длительного времени.
4. Быстрая реакция на перенапряжения: Варисторы реагируют на перенапряжения практически мгновенно, что позволяет предотвратить повреждения электронных компонентов до того, как перенапряжение успеет проникнуть в защищаемую систему. Быстрая реакция варисторов позволяет минимизировать потенциальный ущерб и обеспечивает непрерывную работу электроники.
5. Гибкость в установке и использовании: Варисторы легко устанавливаются и интегрируются в различные электрические схемы и системы. Они могут быть использованы в широком спектре устройств и оборудования, от бытовой электроники до промышленных систем. Благодаря своей гибкости варисторы могут быть адаптированы к различным требованиям и условиям использования.

Ограничения использования варисторов

1. Ограниченный ресурс и срок службы: Варисторы имеют ограниченное количество переключений и способность поглощать избыточную энергию. При превышении их ресурса или повторном превышении максимальных значений они могут потерять свои защитные свойства или выйти из строя. Поэтому важно следить за состоянием варисторов и регулярно проверять их работоспособность.
2. Влияние температуры на характеристики варисторов: Температура окружающей среды может влиять на характеристики варисторов. При повышении температуры сопротивление варистора может изменяться, что может сказываться на его эффективности в защите от перенапряжений. Высокая температура также может сократить срок службы варистора. Поэтому необходимо учитывать температурные условия и обеспечивать достаточное охлаждение варисторов при их использовании.
3. Необходимость дополнительной защиты от токов высокой энергии: Варисторы, хотя и способны поглощать избыточную энергию при перенапряжениях, могут иметь ограничения в поглощении очень высоких токов или токов с очень высокой энергией, например, вызванных молнией или сильными перенапряжениями в электроэнергетических системах. В таких случаях может потребоваться использование дополнительных защитных устройств, таких как предохранители или разрядники, для обеспечения полной защиты от таких токов.

Учитывая эти ограничения, важно правильно подобрать и использовать варисторы в соответствии с требованиями и условиями конкретной системы или устройства. Регулярное обслуживание и контроль состояния варисторов помогут обеспечить их эффективную работу и длительный срок службы.

Заключение

Варисторы являются неотъемлемой частью системы защиты электроники от перенапряжений. Их высокая эффективность и надежность делают их идеальным выбором для использования в различных областях, от бытовой электроники до промышленных систем. Однако важно учитывать ограничения и следить за состоянием варисторов, чтобы обеспечить их оптимальную работу и долговечность. Варисторы продолжают развиваться, и мы можем ожидать еще более совершенных и эффективных решений в будущем.