Описание и принцип работы варистора, схематическое обозначение

Введение

Варистор – это полупроводниковый нелинейный резистор с двумя выводами, сопротивление которого сильно зависит от приложенного напряжения. Его главное назначение – защита электрических и электронных устройств от перенапряжений. В нормальном режиме варистор практически не влияет на цепь, имея очень большое сопротивление (порядка мегом или выше). Однако при резком повышении напряжения выше определённого порога его сопротивление стремительно падает – с миллиардов Ом до десятков Ом. За счёт этого варистор начинает проводить большой ток и ограничивает дальнейший рост напряжения, фактически шунтируя защищаемую цепь и снимая опасный импульс на себя. Варисторы выполняют функцию стабилизации напряжения при перегрузках, аналогично паре встречно-параллельно включённых стабилитронов, но рассчитаны на гораздо бо́льшие броски тока.

Принцип действия варистора

Варистор представляет собой твердотельный полупроводниковый прибор (обычно на основе оксидных керамик), функционирующий симметрично в обеих полярностях напряжения. При рабочем (номинальном) напряжении он находится в изолирующем состоянии – ток через него течёт лишь микроскопический (утечка), а сопротивление чрезвычайно велико. Однако при достижении порогового напряжения срабатывания варистор переходит в проводящее состояние: его сопротивление падает на многие порядки, и через него начинает протекать значительный ток. Физическая природа этого явления связана с полупроводниковой структурой варистора: прибор изготавливается из прессованного и спечённого порошка оксида цинка (ZnO) или карбида кремния (SiC) с добавками. Структура варистора состоит из множества зерен-кристаллов, границы между которыми образуют p–n переходы. При низких напряжениях эти межзерновые переходы заперты, но при превышении порога происходит лавинный пробой по границам зерен, сопровождающийся локальным нагревом, что резко снижает сопротивление этих микроструктур. В результате варистор почти мгновенно «пробивается» в проводящее состояние, проводя импульс тока через себя и удерживая напряжение на уровне чуть выше порога (на уровне так называемого напряжения ограничения). После спадания перенапряжения варистор возвращается обратно в исходное высокоомное состояние практически без задержки, готовый снова защитить цепь при следующем импульсе.

Варистор действует одинаково при любом направлении приложенного напряжения – его вольтамперная характеристика симметрична относительно нуля. Это выгодно отличает его от однополярных защитных диодов: варистор способен подавлять как положительные, так и отрицательные выбросы напряжения в цепях переменного тока или двуполярных импульсах.

Вольт-амперная характеристика варистора

На графике показана типичная ВАХ варистора – зависимость тока через него от напряжения на его выводах. Видно, что при низких напряжениях (область около нуля) ток практически отсутствует – варистор остаётся в закрытом состоянии (течёт лишь ток утечки в микроамперном диапазоне). Однако когда напряжение достигает определённого уровня $U_{сраб}$ (на графике условно около ±100 В, отмечено красной штриховой линией), ток стремительно возрастает. Кривая имеет крутой изгиб: небольшое превышение порога приводит к многократному росту тока. Таким образом, варистор удерживает напряжение на себе примерно на уровне $U_{сраб}$, переходя из высокого сопротивления в низкое. ВАХ варистора симметрична в квадрантах I и III, что отражает его двустороннюю проводимость – одинаковое поведение при положительном и отрицательном напряжении. Практически ВАХ характеризуется т. н. коэффициентом нелинейности – отношением статического сопротивления к дифференциальному – который у современных оксидноцинковых варисторов может достигать значений 20–100 (что означает очень «резкий» спад сопротивления при превышении порога).

Отличительной чертой варистора является именно эта резко выраженная нелинейность ВАХ, благодаря которой он способен пропускать широкий диапазон токов при незначительном изменении напряжения на себе. До порога варистор ведёт себя почти как разрыв цепи, а чуть превысив порог – как почти замкнутая цепь. Фактически он «срезает» всплески напряжения, пропуская через себя импульс тока и не давая напряжению в защищаемой цепи подняться выше определённого уровня. После окончания всплеска ток через варистор падает, и он возвращается в исходное состояние, практически не влияя на цепь при нормальных условиях.

Схематическое обозначение варистора

На электрических схемах варистор обычно изображается в виде условного знака резистора, пересечённого по диагонали линией. Диагональная черта указывает на нелинейные свойства резистора (аналогично тому, как термисторы и варикапы помечаются наклонной линией, обозначающей зависимость их сопротивления/ёмкости от внешних факторов). В зарубежных стандартах (IEC) часто используется прямоугольник (обозначение резистора на схеме IEC) с диагональной чертой. В отечественной литературе и ГОСТ также принято подобное изображение. На принципиальных схемах рядом с условным обозначением варистора обычно указывают его позиционное обозначение – например, «RU1» или «VR1» (варианты), либо аббревиатуру «ZNR» – от Zinc Oxide Non-linear Resistor, с порядковым номером элемента. Например, надпись ZNR1 на схеме указывает первый варистор в данной цепи. Такие обозначения помогают идентифицировать варистор среди других компонентов. В целом же графический символ варистора сразу даёт понять, что это резистор особого типа, изменяющий сопротивление при изменении напряжения.

Классификация варисторов

Принцип действия у всех варисторов одинаков, но различают их по ряду признаков: материалу, конструктивной форме и области применения (рабочему напряжению).

По материалу изготовления

Варисторы бывают двух основных видов – на основе карбида кремния (SiC) и на основе оксида цинка (ZnO). Исторически сначала появились SiC-варисторы (их в СССР называли титан, вилит, силит и пр.), однако сейчас доминируют оксидноцинковые варисторы (так называемые MOV – Metal-Oxide Varistor) благодаря их превосходной нелинейности и малым утечкам. ZnO-варисторы содержат ~90% оксида цинка с добавками и отличаются более высоким коэффициентом нелинейности ($λ$ до 100 против 2–10 у SiC), что обеспечивает лучшее ограничение перенапряжения. При нормальных условиях ток утечки у ZnO-варисторов гораздо ниже, а скорость срабатывания выше, чем у SiC-аналогов. Высоковольтные ограничители перенапряжений (для линий электропередачи) раньше делали на базе столбов SiC с искровыми промежутками, теперь же практически полностью перешли на блоки ZnO без промежутков – благодаря их лучшим характеристикам.

По форме и конструкции

Наиболее распространённая форма варистора – дисковая таблетка круглой формы с двумя радиальными выводами (проволочными вывода припаяны к металлизированным сторонам диска, защищённого слоем лака или эпоксидной смолы). Именно такие дисковые MOV в синей или другой цветной оболочке часто встречаются на платах. Кроме того, существуют варисторы в форме плоских таблеток большего размера (для высоких энергий), стержневые варисторы (цилиндрические, иногда подстроечные – с движком для установки нужного сопротивления в определённой точке), бусинковые (малые размеры для цепей сигналов) и плёночные варисторы. Широко применялись в аналоговой технике стержневые подстроечные варисторы с подвижным контактом – по сути, кремниевые стержни, сопротивление которых можно изменять, двигая контакт вдоль стержня, тем самым изменяя рабочую точку на его нелинейной характеристике. В современных устройствах встречаются также SMD-варисторы (чип-варисторы) для поверхностного монтажа, имеющие прямоугольный корпус как у SMD-конденсаторов. Различные конструктивные исполнения позволяют использовать варисторы в очень широком диапазоне – от миниатюрных (доли миллиметра) для защиты микросхем от статики, до мощных блоков в грозозащите подстанций.

По применению и рабочему напряжению

Здесь варисторы условно делят на низковольтные и высоковольтные. Низковольтные варисторы рассчитаны на рабочее напряжение от нескольких вольт до сотен вольт (примерно 3…200 В) и применяются для защиты радиоэлементов и электронной аппаратуры в низковольтных цепях (например, варисторы на 14 В в автомобильной электронике, на 5…12 В для цифровых схем, на ~220 В для бытовой аппаратуры и БП). Высоковольтные варисторы рассчитаны на напряжения порядка киловольт – до 20 кВ и выше – и используются в электрических силовых сетях и установках (например, в ограничителях перенапряжений на линиях электропередачи). По токовым возможностям варисторы также отличаются: существуют маломощные варисторы для защиты электронных входов (рассчитанные на импульсы в несколько ампер), и мощные варисторы-ограничители, способные поглощать тысячи джоулей энергии и проводить токи в десятки кА (правда, кратковременно).

Ещё одна грань классификации по применению – разделение на варисторы общего назначения (для подавления случайных импульсных помех в сети, грозовых перенапряжений) и специальные (например, варисторы для защиты линий связи, для импульсной техники, для равномерного распределения напряжения между секциями конденсаторов и т.д.). Тем не менее, принцип работы у всех этих разновидностей одинаков, разница лишь в параметрах и конструктивном исполнении.

Примеры использования варисторов

Варисторы благодаря своей эффективности, простоте и низкой стоимости получили чрезвычайно широкое распространение в современной электронике. Они используются практически во всех сегментах электротехники, где требуется защита от перенапряжений или ограничение импульсов:

Блоки питания и сетевые фильтры. Варисторы устанавливаются на входе сетевых адаптеров, импульсных блоков питания, источников бесперебойного питания (UPS), сетевых фильтров и удлинителей. В этой роли варистор подключается параллельно сети 220 В сразу за предохранителем: при всплеске напряжения (например, грозовом импульсе) варистор пробивается и шунтирует сеть, а предохранитель перегорает – тем самым защищая оборудование от броска. Также варисторы ставят параллельно обмоткам трансформаторов, реле, электродвигателей – для гашения коммутационных выбросов (индуктивных перенапряжений $L \cdot \frac{d}{dt}$).

Защита электронной аппаратуры. В компьютерах, телевизорах, аудио- и видеоаппаратуре варисторы защищают входные цепи от помех в сети. В цепях постоянного тока (например, во вторичных источниках питания, между линиями +V и GND) варисторы могут применяться для защиты чувствительных микросхем от статических разрядов и перенапряжений, возникающих при переключениях. Например, на плате модема или маршрутизатора варисторы защищают телефонную линию и порт Ethernet от грозовых разрядов; на плате автоматики варистор может стоять параллельно входному разъёму питания 12 В на случай переполюсовки или скачка напряжения. В микроконтроллерных устройствах варисторы иногда дополняют TVS-диоды для защиты портов ввода-вывода.

Промышленность и транспорт. В промышленном оборудовании варисторы ставят для защиты силовой электроники: частотных преобразователей, силовых транзисторов, тиристорных узлов – от перенапряжений в сети и от переходных процессов. В автомобилях варисторы (обычно 14–18 В) включают параллельно бортовой сети для гашения выбросов при отключении нагрузки (например, при отключении зажигания, генератора, электродвигателей вентилятора и др.). Они защищают бортовую электронику и стабилизаторы напряжения от импульсов, возникающих из-за индуктивностей в цепи автомобиля. Также варисторы используются в системах телекоммуникаций – для грозозащиты линий связи, в приборостроении – для защиты измерительных входов, в энергетике – в устройствах ограничения перенапряжений (ОПН) высоковольтных подстанций и т.д..

Примеры можно перечислять очень долго – фактически вся современная электронная аппаратура, где есть риск скачков напряжения, оснащается варисторами. Они работают «в тени» при штатных режимах, но спасают оборудование в аварийных ситуациях, принимая на себя разрушительную энергию импульса. Например, в типичном сетевом фильтре варистор защищает от бросков в бытовой электросети (особенно в частных домах с грозозащитой), в телевизоре варистор предотвращает выход из строя блока питания при резком броске напряжения в розетке, в модеме – защищает от грозового разряда по телефонной линии. Благодаря варисторам надёжность и помехоустойчивость устройств значительно повышается.

Основные параметры варистора и выбор устройства

К основным характеристикам варисторов относятся следующие:

Классификационное (номинальное) напряжение Uн

Это условный параметр, обозначающий напряжение на варисторе при протекании через него тока 1 мА. По сути, $U_н$ – это напряжение срабатывания, при котором варистор переходит в проводящее состояние (его еще называют напряжением VAR или varistor voltage). Именно по этому напряжению обычно маркируются варисторы. Например, варистор с маркировкой «391» имеет $U_н$ около 390 В при 1 мА. В рабочей цепи постоянного тока выбирают варистор с Uн немного выше максимального рабочего напряжения. В цепях переменного тока действуют другие рекомендации (см. ниже).

Максимальное рабочее напряжение (AC/DC)

Производитель указывает максимально допустимое постоянное напряжение $UDC_{max}$ и переменное (действующее значение) $UAC_{max}$, которые могут длительно прикладываться к варистору. Диапазон этих напряжений для разных типов – от единиц вольт до десятков киловольт. При превышении этих уровней на варистор в нормальном режиме (без импульса) начинается значительный ток утечки, и длительная работа становится невозможна – варистор со временем деградирует. Поэтому важно, чтобы в цепи переменного тока амплитуда ($≈1.41 \cdot UAC$) не превышала допуска. Практическое правило: варистор для сети 220 В выбирают с классификационным напряжением не ниже ~380–430 В, что соответствует ~230 В RMS рабочему (то есть $UAC_{max}$ около 250 В). Например, для 230 В используют варистор 14D431 ($U_н≈430 В$).

Напряжение ограничения

Это напряжение, до которого варистор ограничивает всплеск при определённом токе (обычно указывается при токе в сотни ампер или при стандартном импульсе 8/20 мкс). По сути, это максимум напряжения на варисторе в момент прохождения сильного импульса (например, при токе 100 А). Чем меньше $U_{clamp}$ – тем лучше варистор защищает (сильнее «зажимает» перенапряжение). Обычно $U_{clamp}$ в 1.5–2 раза выше Uн (так как при 1 мА и при 100 А напряжения отличаются). Этот параметр часто приводится в справочниках для оценки эффективности ограничителя.

Максимальный импульсный ток Ipp

Пиковый ток (в амперах), который варистор способен пропустить через себя без разрушения. Обычно нормируется для одиночного импульса стандартизированной формы (например, импульс 8/20 µs). Для небольших варисторов $I_{pp}$ может быть десятки–сотни ампер, для крупных – многие тысячи ампер. Этот параметр связан с энергией: чрезмерный ток приводит к перегреву зерен варистора и пробою. Производители также указывают допустимое число импульсов определённой энергии, после которого варистор может изменять параметры (стареть). Если ожидаются повторяющиеся импульсы, желательно брать варистор с запасом по $I_{pp}$.

Максимальная поглощаемая энергия Wmax

Количество энергии (в Джоулях), которое варистор способен рассеять (преобразовать в тепло) за импульс, не выходя из строя. Этот параметр тесно связан с предыдущим: энергия рассчитывается как интеграл $U \cdot I$ по времени импульса. Например, варистор диаметром 14 мм может иметь $W_{max}$ ~100 Дж (импульс 2 мс), а мощный варистор 34 мм – до 1000 Дж. При выборе следует оценить энергию возможных импульсов в цепи (например, грозового разряда) и выбирать варистор, способный её поглотить с запасом.

Время срабатывания

Очень важный параметр для ограничителя перенапряжений – время, за которое варистор переходит из высокоомного состояния в низкоомное при внезапном скачке напряжения. Варисторы являются безынерционными элементами, их отклик чрезвычайно быстрый – порядка наносекунд. Обычно указывают время нарастания тока ~8 нс до уровня 50 А, что сравнимо с быстродействием TVS-диодов. Практически варистор начинает проводить почти мгновенно, так что ограничение перенапряжения происходит своевременно. Лишь в особых случаях экстремально крутых фронтов (например, электростатический разряд < 1 нс) может потребоваться дополнительная защита (газоразрядник или супрессор), но для большинства прикладных ситуаций наносекундный отклик варистора достаточен.

Ёмкость и утечка

Варистор в непроводящем режиме эквивалентен большой межэлектродной ёмкости, так как между его выводами фактически диэлектрик (границы зерен). Ёмкость может составлять десятки нФ (зависит от размеров варистора). Это следует учитывать: варистор добавляет паразитную ёмкость в цепь, что может влиять на высокочастотные сигналы. Кроме того, ток утечки варистора возрастает с частотой (на переменном токе варистор имеет реактивное сопротивление, падающее на высоких частотах). Для сетевых 50 Гц это несущественно, но в радиочастотных цепях применение варисторов ограничено из-за их ёмкости и шумов.

Допуск и дрейф параметров

Производители обычно указывают допуск $U_н$ – например, ±10%. Это связано с технологическим разбросом характеристик. Также варисторы подвержены старению: после многократных импульсов или длительной работы при высоком напряжении их параметры могут изменяться ($U_н$ снижается, утечки растут). Температура тоже влияет: ВАХ варистора несколько сдвигается при нагреве (ТКС отрицательный, сопротивление снижается с ростом температуры). В процессе эксплуатации важно следить, что варистор не деградировал (например, после сильного грозового удара варистор может буквально обуглиться и потерять защитные свойства). Регламент замен варисторов – хорошая практика в обслуживании силового оборудования.

Выбор варистора

Зная перечисленные параметры помех (максимальное ожидаемое перенапряжение, энергию импульсов, внутреннее сопротивление источника), инженер подбирает варистор с соответствующими характеристиками. Общее правило – рабочее напряжение варистора должно быть чуть выше номинального напряжения цепи, чтобы в штатном режиме он не нагружался. Например, для сети ~220 В подойдут варисторы с $U_н ≈ 380–430 В$. По энергии и току всегда берётся запас: лучше установить более мощный варистор, чем допустить его разрушение при чуть большем импульсе, чем рассчитан.

Кроме того, варистор обычно сочетают с предохранителем или разрядником: варистор гасит фронт импульса, а предохранитель защищает от продолжительного аварийного тока, если варистор перешёл в пробой. При грамотном выборе и использовании варистор способен многократно спасать оборудование от перенапряжений, повышая электромагнитную совместимость и долговечность схем.