Варистор: принцип действия, проверка и подключение. Варистор. Что это такое? Принцип работы Варистор практическое использование сделай сам

Свойства полупроводников изменять свою электропроводность под действием внешних возбуждений используется при построении ряда простейших полупроводниковых приборов (беспереходных), так называемых полупроводниковых резисторов.

Полупроводниковые резисторы – это множество видов резисторов, изготовленных из различных полупроводниковых материалов и использующих зависимость их электрического сопротивления от разнообразных воздействующих на резистор факторов. Соответственно выделяют:

варисторы (зависимость R от напряжения U);

терморезисторы (от температуры Т);

фоторезисторы (от светового потока Ф);

магниторезисторы (от магнитного поля В);

тензорезисторы (от механического давления Р).

Условные обозначения полупроводниковых резисторов приведены на рис. 1.

Наличие полупроводниковых резисторов с таким широким спектром зависимостей позволяет использовать их в разрабатываемой радиоэлектронной аппаратуре для решения множества разнообразных задач:

в качестве датчиков для измерения соответствующего параметра (U, Т, Ф, В, Р);

в устройствах стабилизации параметров объектов;

в системах сигнализации и защиты от перегрузок;

в системах регулирования физических величин;

в системах преобразования сигналов.

1. Варисторы

Варистор – это полупроводниковый резистор, сопротивление которого нелинейно зависит от приложенного как положительного, так и отрицательного напряжения. Варистор имеет два вывода.

В настоящее время варисторы достаточно широко используются, прежде всего как элементы защиты от перенапряжений, более того, в силу симметричности высоконелинейной вольт-амперной характеристики при уникально высокой импульсной устойчивости, оксидно-полупроводниковые варисторы в настоящее время являются практически единственным реальным и массовым быстродействующим средством защиты сложных и дорогостоящих полупроводниковых систем различного назначения.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) варистора нелинейная и симметричная (рис. 2).

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика варистора

Основными материалами, используемыми для изготовления варисторов, являются карбид кремния и оксид цинка.

1. Принцип действия варисторов на основе карбида кремния

Чтобы получить такую зависимость I (U ) варисторы изготавливают в основном из карбида кремния SiC, порошкообразные зерна которого размером 20 …180 мкм перемешивают с 10 … 40 % связующего диэлектрического материала – глины, керамики, прессуют и обжигают при высокой температуре. В результате варистор представляет собой внутри конгломерат зерен с самой разной величиной зазоров и площадей соприкосновения.

Нелинейность ВАХ этого типа варистора обусловлена увеличением в сильных электрических полях проводимости поверхностных потенциальных барьеров или окисных плёнок на кристаллах. А также увеличением проводимости точечных контактов между кристаллами из-за разогрева в связи с выделяющейся на них мощностью.

Поскольку толщина поверхностных потенциальных барьеров и окисных пленок на кристаллах карбида кремния мала, там могут возникать сильные электрические поля даже при малых напряжениях на варисторе, что приводит к туннелированию носителей заряда сквозь потенциальные барьеры или сквозь тонкие оксидные пленки. Таким образом, при малых напряжениях на варисторе нелинейность ВАХ связана с зависимостью проводимости поверхностных потенциальных барьеров и окисных пленок, от величины напряжения.

При больших напряжениях на варисторе и соответственно, при больших токах, проходящих через варистор, плотность тока в точечных контактах оказывается очень большой. Все напряжение, приложенное к варистору, падает на точечных контактах. Поэтому удельная мощность, выделяющаяся в точечных контактах, достигает таких значений, которые нельзя не учитывать. Разогрев точечных контактов приводит к уменьшению их сопротивления и к нелинейности ВАХ.

При мелкозернистой структуре эти механизмы практически не зависят от полярности приложенного напряжения – соответственно ВАХ варистора получается симметричной.

Сопротивление точечных контактов определяется сопротивлением растекания, т.е. сопротивлением малых активных областей полупроводника под точечными контактами. Из-за малости активных областей их разогрев практически не приводит к повышению температуры всего варистора. Кроме того, малые объемы активных областей обеспечивают малую инерционность тепловых процессов. Теоретические расчеты показывают, что тепловая постоянная времени активных областей может составлять 10,6…1,7 с. Считая разогрев активных областей одним из основных процессов, приводящих к нелинейности ВАХ в рабочем диапазоне напряжений и токов для варистора, можно получить ряд важных зависимостей и характеристик варистора.

Температурная зависимость удельной проводимости полупроводников соответствует уравнению:
.

Сопротивление растекания двух контактирующих кристаллов:
,

где d – диаметр точечного контакта,B – коэффициент температурной чувствительности поверхностных слоёв кристалла.

Тогда статическое сопротивление варистора, состоящего из N параллельно включённых цепочек, имеющих свою очередьN ’ последовательно включённых контактирующих кристаллов:
.

Уравнение теплового баланса для активных областей варистора:

где Н – коэффициент рассеяния активных областей,Т – температура активных областей,Т – температура среды, окружающей активные области.

ВАХ приближенно может быть представлена уравнениями:

,
,

где U ,I – напряжение и ток варистора,C ,B ,
, – некоторые коэффициенты, причем
,
.

Параметры и характеристики варисторов на основе карбида кремния

Коэффициент нелинейности характеризует нелинейность ВАХ варистора. Для линейных резисторов он равен единице, для нелинейных – существенно больше единицы, причем с увеличением нелинейность ВАХ возрастает. Выражение для вычисления коэффициента нелинейности можно получить из соотношения между статическим и динамическими сопротивлениями варистора в определенной точке ВАХ:

.

ВАХ варистора в двойном логарифмическом масштабе (рис. 3):

lgU =lgI +lgC

EMBED Word.Picture.8

Рис. 3. ВАХ варистора в двойном логарифмическом масштабе

Коэффициент нелинейности в этом случае будет численно равен котангенсу угла наклона характеристики к оси токов: β = ctg= (lgI 2 - lgI 1)/(lgU 2 -lgU 1).

Для вычисления зависимости сопротивления варистора от протекающего по нему тока или приложенного напряжения пользуются соотношением:

R =CI α-1 /B

Иногда в практических расчетах неудобно пользоваться аналитическими выражениями ВАХ. В этом случае в достаточно широком диапазоне напряжений можно пользоваться эмпирическим уравнением:
,

где – электрическая проводимость рабочего тела варистора в слабых полях,a – постоянная. ВАХ варистора представлена на рис. 2.

Тогда коэффициент нелинейности β и постоянная В примут следующий вид:

,
.

Расчетные зависимости β от внешнего напряжения представлены на рис. 4.

Рис. 4. Расчетная зависимость коэффициента нелинейности от напряжения при различных температурах (В = 600 К)

Для обеспечения защиты электрических цепей специалисты применяют широкий набор самых разнообразных устройств. Одним из таких приборов является варистор. Он срабатывает при возникновении серьезных скачков в системе, тем самым регулируя ее работу. Как и любое другое устройство, варистору необходимы регулярные проверки его технического состояния. Из данной статьи можно узнать о наиболее важной информации, связанной с его функционированием.

Что такое варистор?

Для начала следует остановиться на том, что представляет собой это устройство.

1. Данный прибор – это полупроводниковый резистор , уровень проводимости которого зависит от такого показателя, как величина приложенного напряжения.
2. Кроме того, он относится к нелинейным типам приборов.

Принцип работы варистора прост. При наличии в электрической цепи нормального уровня напряжения варистор пропускает через себя малый ток. В случае достижения в системе, в силу обстоятельств, предельных значений напряжения, варистор открывается и пропускает все токовые силы . Таким образом, осуществляется регулировка работы электрической цепи.

В настоящее время каждый производитель устанавливает свою маркировку на эти типы приборов. Это объясняется тем, что производимые приборы имеют разные технические характеристики . Например, предельно допустимое напряжение или необходимый для функционирования уровень тока.

Наиболее распространенными маркировками является обозначение вида CNR, которая дополняется такими элементами, как 07D390K. Обозначения имеют следующее значение:

1. CNR – серия варистора. Приборы с данным обозначением являются металлооксидными.
2. 07 – величина устройства в диаметре (7 миллиметров).
3. D – дисковый прибор.
4. 390 – предельно допустимый показатель уровня напряжения.

Основные параметры

Главными параметрами такого прибора являются:

• Величина напряжения.
• Предельно допустимый уровень переменного напряжения.
• Предельно допустимый уровень постоянного напряжения.
• Максимально возможное поглощение энергии, выраженное в джоулях.
• Время срабатывания.
• Допустимые погрешности в работе.

Для осуществления диагностики приборов предназначены специальные устройства, которые носят название тестеров. Для проведения проверки тестер необходимо включить и перевести в режим сопротивления. В том случае, если техническое состояние тестируемого аппарата отвечает всем необходимым требованиям , то данные на тестере будут отличаться очень большой величиной.

Если вы решили проверить свой прибор, то также следует удостовериться в его должном внешнем виде. Посмотрите внимательно, нет ли на приборе трещин и не подгорел ли он в каких-нибудь местах. Не стоит игнорировать данный совет и принижать роль внешнего вида аппарата – по утверждениям специалистов, тщательный визуальный осмотр прибора помогает избежать возникновения многих неприятных ситуаций.

Применение варисторов

В современном мире такой вид аппаратов имеют довольно широкую область применения. Они незаменимы в таких областях, как промышленное производство: их устанавливают на оборудовании. Частенько незаменим в бытовом применении. Эти проборы выполняют ряд важнейших функций:

1. Обеспечивают надежную защиту полупроводниковых устройств – различных типов тиристоров, диодов и стабилизаторов.
2. Создают высокий уровень электростатической защиты для входов разного рода радиоаппаратуры.
3. Препятствуют негативному воздействию электромагнитных всплесков в устройствах с высокой индуктивной мощностью.
4. Используются в качестве элемента для погашения искр в переключателях и другом оборудовании.

Достоинства

Этот вид аппаратов обладает целым рядом неоценимых преимуществ по сравнению с разрядниками и многими другими приборами.

К основным преимуществам можно отнести:

Недостатки

Однако, наряду с большим количеством преимуществ перед другими приборами прибор имеет также и некоторые недостатки. Среди них можно назвать такие моменты, как:

Во-первых, всегда нужно помнить, что иногда могут наступать так называемые критические условия – они с большой долей вероятности могут привести к взрыву устройства. Для предотвращения взрыва предназначены специальные устройства – защитные экраны. В них помещается вся конструкция варистора.

Во-вторых, следует не забывать, что кремневые варисторы по своим техническим характеристикам значительно уступают оксидным. Поэтому наиболее оптимальным вариантом является приобретение именно оксидного варистора.

Трегубов С.В.,к.т.н.
Пантелеев В.А., к.т.н.
Фрезе О.Г.
http://komi.com/progress/product/varistor/manual/

Введение

Каждая электроустановка имеет изоляцию, соответствующую ее номинальному напряжению. Рабочее напряжение, приложенное к установке, может отличаться от номинального, однако надежная работа обеспечивается только в том случае, если оно не выходит за пределы значений наибольших рабочих напряжений. Часто причиной выхода из строя электрооборудования становится наличие импульсов напряжения. Импульсом напряжения называется резкое изменение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня за промежуток времени до нескольких миллисекунд . Импульсы напряжения, возникающие в электрических сетях подразделяют на коммутационные и грозовые.

Источником энергии коммутационных импульсов напряжения является энергия, запасенная в реактивных (индуктивных и емкостных) элементах системы, которая обуславливает появление импульсов в переходных режимах при нормальных и аварийных коммутациях. Значения импульсных коммутационных напряжений зависят от параметров электрической системы, характеристик коммутирующих аппаратов, а также фазы тока на момент коммутации.

Причиной возникновения грозовых импульсов напряжения являются удары молнии в электроустановку или вблизи нее.

По данным США значения напряжения коммутационных импульсов даже в бытовых сетях могут достигать 20 кВ. Примерно такие же данные приводят японские, французские и другие исследователи. Исследования, проведенные нами по эксплуатации промышленного электрооборудования в сетях 0.4 кВ, позволяют утверждать, что, например, при тяжелых условиях коммутации силовых электродвигателей значение напряжения коммутационных импульсов может превышать 70 кВ. Нет необходимости говорить о последствиях такого воздействия на электрооборудование. Положение часто осложняется тем, что во многих случаях эксплуатация электрических машин производится в тяжелых условиях (загрязнение, увлажнение изоляции, частые пуски и остановки агрегатов), что обуславливает особую уязвимость изоляции электрооборудования из-за ее ускоренного износа и уменьшения электрической прочности.

Для защиты оборудования от импульсных напряжений в разных странах применяются вентильные разрядники, RC-цепочки, LC-фильтры и т.д. Однако в последние десятилетия во всем мире наиболее эффективным (и дешевым) средством защиты от импульсных напряжений любого вида признано использование нелинейных полупроводниковых резисторов, называемых варисторами. Отличительной чертой варистора является симметричная и резко выраженная нелинейная вольт-амперная характеристика (ВАХ — см. рис.1). За счет этого варисторы позволяют просто и эффективно решать задачи защиты различных устройств от импульсных напряжений. Основной принцип действия варистора весьма прост. Варистор включается параллельно защищаемому оборудованию, т.е. при нормальной эксплуатации он находится под действием рабочего напряжения защищаемого устройства. В рабочем режиме (при отсутствии импульсных напряжений) ток через варистор пренебрежимо мал, и поэтому варистор в этих условиях представляет собой изолятор.

Рис.1 Типичная вольтамперная характеристика варистора

При возникновении импульса напряжения варистор в силу нелинейности своей характеристики резко уменьшает свое сопротивление до долей Ома и шунтирует нагрузку, защищая ее, и рассеивая поглощенную энергию в виде тепла. В этом случае через варистор кратковременно может протекать ток, достигающий нескольких тысяч ампер. Так как варистор практически безынерционен, то после гашения импульса напряжения он вновь приобретает очень большое сопротивление. Таким образом, включение варистора параллельно электрооборудованию не влияет на его работу в нормальных условиях, но «срезает» импульсы опасного напряжения, что полностью обеспечивает сохранность даже ослабленной изоляции (см. рис 2).

Наиболее широкое применение находят варисторы на основе оксида цинка, что обусловлено, во-первых, относительной простотой их изготовления и, во-вторых, хорошей способностью оксида цинка поглощать высокоэнергетические импульсы напряжения. Варисторы изготавливают по обычной «керамической» технологии, включающей в себя прессование варисторов (чаще всего имеющих форму диска или шайбы), их обжиг, нанесение электродов, пайку выводов и нанесение электроизоляционных и влагозащитных покрытий. Такая технология в ряде случаев позволяет предприятиям-изготовителям выпускать варисторы по индивидуальным заказам.

Рис.2 Напряжение на нагрузке при коммутации в сети 0,4 кВ

Общие понятия

Важнейшей характеристикой варистора, определяющей его функциональные возможности, является его вольт-амперная характеристика. Ее особенностью является наличие участка малых токов (условно от нуля до нескольких миллиампер), в котором находится рабочая точка варистора и участок больших токов (до тысяч ампер), который в ряде случаев называют туннельным. Туннельный участок во многом определяет защитные свойства и, в частности, напряжение ограничения, т.е. максимальное напряжение, воздействующее на защищаемое электрооборудование при шунтировании его варистором. В области малых токов ВАХ удовлетворительно описывается уравнением

(1) где I — ток, А, U -напряжение, В, В — некоторая постоянная, ? — коэффициент нелинейности.

Для варисторов на основе оксида цинка коэффициент нелинейности обычно составляет 20- 60 единиц. Коэффициент нелинейности характеризует крутизну ВАХ и определяется отношением статического и дифференциального сопротивлений варистора в определенной точке.

(2)

Экспериментально коэффициент нелинейности можно оценить по формуле

(3)

Чаще всего коэффициент нелинейности определяется при токе 1 мА и 10 мА, при этом формула (3) приобретает вид

(4)

Одной из характеристик варистора является классификационное напряжение (Uкл)- это напряжение при определенном токе. Как правило, изготовители варисторов в качестве классификационного напряжения указывают напряжение на варисторе при токе 1мА.

В некоторых случаях указывают коэффициент защиты варистора — это отношение напряжения на варисторе при токе 100А к напряжению при токе 1мА (т.е. к классификационному напряжению). Этот коэффициент для варисторов на основе оксида цинка находится в пределах 1.4 — 1.6, и он характеризует способность варистора ограничивать импульсы перенапряжения. Другими словами- при росте напряжения в 1,4- 1,6 раза ток возрастает в 100 000 раз (!).

Важной характеристикой варистора является допускаемая мощность рассеивания — она характеризует возможность рассеивать поглощаемую электрическую энергию в виде тепла. Этот показатель в основном определяется геометрическими размерами варистора и конструкцией выводов. Для увеличения мощности рассеивания часто применяют массивные выводы, которые играют роль своеобразного радиатора.

Варисторы имеют достаточно большую емкость, определенным образом зависящую от приложенного напряжения. На рис.3 показаны типичные вольт-фарадные характеристики варистора. Как видно из приведенного рисунка, варистор имеет определенную емкость в рабочем режиме (когда нет импульсов напряжения), а при воздействии импульса напряжения емкость варистора практически равна нулю.

Рис.3 Вольтфарадные характеристики варисторов

Информацию о напряжении на варисторе в области больших токов изготовители приводят в технических условиях. Иногда это напряжение называют остающимся напряжением. При этом обязательно указывают длительность (форму) и амплитуду импульса тока, при воздействии которого на варистор эти измерения произведены. Остающееся напряжение при различных амплитудах тока импульса можно измерить на специальных импульсных установках.

Для расчета применения варисторов при грозовом разряде иногда приводят сведения о напряжении на варисторе при воздействии стандартного грозового импульса. На рис. 4 показана форма этого импульса, который часто называют импульсом 8/20 мкс.

Рис.4 Форма испытательного импульса 8/20 мкс

В некоторых случаях указывают коэффициент защиты варистора- это отношение напряжения на варисторе при токе 100 А к напряжению при токе 1 мА (т.е. к классификационному напряжению). Этот коэффициент для варисторов на основе оксида цинка находится в пределах 1,4-1,6, и он характеризует способность варистора ограничивать импульсы напряжения. При амплитуде тока 100 А остающееся напряжение можно рассчитать, умножив классификационное напряжение (номинальное или фактическое значение) на коэффициент защиты. Так, например, варистор с классификационным напряжением 430 В и коэффициентом защиты 1,4 — 1,6 при импульсе тока 100 А ограничит импульсное напряжение до уровня 602 — 688 В.

В России наиболее массовое производство малогабаритных варисторов организовано на Ухтинском заводе «Прогресс» |3,4,5|. Варисторы выполнены в виде дисков толщиной до 10 мм (в зависимости от классификационного напряжения). Варисторы СН2-1 и ВР-1 имеют проволочные однонаправленные выводы диаметром 0,8 мм (варисторы СН2-1 варианта «в» имею выводы диаметром 0,6 мм). Варисторы СН2-2 вариант «А» имеют штуцерные выводы с резьбой М5, вариант «Б» имеет массивные выводы, переходящие в шпильки с резьбой М5, вариант «Г» имеет массивные дисковые выводы с резьбой М5, а варианты «В» и «Д» имеют контактные поверхности, покрытые серебром. Для всех варисторов классификационный ток составляет 1 мА, температурный коэффициент напряжения отрицательный не более 0,05% на один градус Цельсия.

Возможные причины возникновения импульсных напряжений

Импульсные напряжения можно условно разделить внутренние и внешние. Внутренние импульсные напряжения, как правило, возникают при коммутации реактивных (емкостных, индуктивных) нагрузок, при пробое и др. Наибольшую угрозу при этом представляют импульсы напряжения, возникающее при отключении индуктивной нагрузки. В этих ситуациях оптимальный выбор варистора не представляет трудности, — необходимо только рассчитать (или определить экспериментально) форму и длительность импульсов напряжения. В худшем случае можно провести моделирование ситуаций и проверить эффективность варисторной защиты.

Внешние импульсные напряжения — это те, источники которых находятся вне защищаемой варистором системы. Некоторые причины таких ситуаций:

• гальваническое взаимодействие с источниками высоких напряжений;
• коммутации в сетях (полное включение-выключение напряжения, включение и отключение компенсирующих конденсаторных установок и др.);
• грозовые разряды (могут причинить вред на удалении до 20км);
• влияние индуктивности (проявляется при коротком замыкании нейтрали особенно в сетях с протяженными кабельными соединениями).

Идентифицировать, систематизировать причины возникновения внешних импульсных напряжений практически невозможно. Так фирма «Сименс» для бытовых линий 220 В советует принимать следующие значения внешних импульсных напряжений (но только как ориентировочные и без учета грозовых разрядов):

• амплитуда- до 6 кВ;
• частота — 0,05-5 МГц;
• длительность — 0,1- 100 мкс.

Ориентировочные значения параметров грозовых и коммутационных импульсов напряжения в сетях различного номинального напряжения приведены также в .

Рабочий режим варистора

Расчет рабочего режима варистора в силу его высокой нелинейности не является тривиальной задачей. Цель такого расчета — оптимальный выбор значения классификационного напряжения варистора. Важнейшим параметром при этом является рабочий ток, который должен быть минимальным и не приводить к перегреву варистора. С другой стороны при слишком малом рабочем токе варистора увеличивается напряжение, ограниченное варистором при возникновении импульса напряжения и варистор, по сути, не будет выполнять свою основную функцию.

Для ориентировочных расчетов рекомендуется , чтобы рабочее постоянное напряжение не превышало 0,85 Uкл. и, соответственно, на переменном токе действующее значение рабочего напряжения не превышало 0,6 Uкл. К сожалению, такой простой подход к решению задачи на практике малоприменим.

В технических условиях на варисторы типа СН2-1, СН2-2 указано, что постоянный или переменный предельный рабочий ток не должен превышать 0,1мА. Очевидно, что тепловая мощность, выделяемая на варисторе при протекании через него постоянного тока, будет существенно больше, чем при протекании переменного тока такой же амплитуды. На рис.5 показана форма тока варистора при синусоидальном напряжении.

Рис.5 Форма тока варистора при синусоидальном напряжении

Методика выбора и установки варисторов

Варисторы устанавливаются параллельно защищаемому электрооборудованию. В случае трехфазной нагрузки при соединении «звездой» они включаются в каждую фазу между фазой и землей, а при соединении нагрузки «треугольником» — между фазами. Наиболее предпочтительное место установки варисторов — сразу после коммутационного аппарата со стороны защищаемой нагрузки. Заводом «ПРОГРЕСС» выпускается очень удобный трехфазный ограничитель импульсных напряжений «Импульс-1», который представляет собой устройство для закрепления варисторов на электрощите, содержащее помещенные в корпус приспособления — держатели для трех варисторов, снабженные выводами. Это устройство позволяет легко реализовывать схемы защиты трехфазной нагрузки, соединенной как «звездой», так и «треугольником», а также защищать до трех независимых электроустановок, питающихся от однофазной сети.

Выбор типа используемого варистора и определение его классификационного напряжения осуществляется на основе анализа работы варистора в двух режимах: в рабочем и в импульсном.

1. Анализ работы варистора в рабочем режиме состоит в определении по таблице 1 такого классификационного напряжения, для которого длительное максимальное напряжение на нагрузке наиболее близко к табличному значению, но не превосходит его. Данные таблицы справедливы для варисторов с предельными отклонениями классификационного напряжения не более 10 % . Максимально допустимое длительное действующее переменное напряжение для варисторов зарубежного производства в большинстве случаев указывается в составе маркировки.

2. Анализ работы варистора в импульсном режиме состоит в расчете максимальной мгновенной энергии по формуле:

где E — максимальная мгновенная энергия в джоулях, P — номинальная мощность нагрузки, приходящаяся на одну фазу (Вт), f — частота переменного напряжения (Гц), ? — КПД защищаемой нагрузки. Такие расчеты обычно выполняются для нагрузок в несколько киловатт и более.

По таблице 2 выбирают тип варистора, обеспечивающего рассеивание энергии, значение которой рассчитано по приведенной формуле.

Таблица 1 В вольтах

Таблица 2

Пример 1. Определить марку варисторов для защиты электродвигателя ВАСО16-34-24 при соединении обмоток “звездой” в сети 0.4 кВ.

Решение.

Т.к. обмотки соединены “звездой”, то каждая из них находится под напряжением 220В. Если учесть нормируемое предельно допустимое отклонение напряжения 15 %, то макси- мальное рабочее напряжение составит 253 В. Из таблицы 1 видно, что условию п.1 удов- летворяют варисторы с классификационным напряжением 430 В.

Из паспортных данных электродвигателя известно, что его мощность 90 кВт, КПД 91.8%, а cos? = 0.64. Рассчитаем величину максимальной мгновенной энергии:

Из таблицы 2 видно, что для защиты этого электродвигателя может быть использован ва- ристор СН2-2 (вар. А,Г) с классификационным напряжением 430 В с максимальной мощ- ностью рассеивания 138 Дж.

Пример 2. Определить марку варистора для защиты электродвигателя АО-315-УУ3 при соединении обмоток “треугольником”.

При соединении “треугольником” каждая обмотка находится под напряжением 380В. Если нормируемое предельно допустимое отклонение напряжения составит 15 %, то мак- симальное длительное напряжение составит 437 В. Из таблицы 1 видно, что условие п.1 может быть удовлетворено только при использовании варисторов с классификационным напряжением 750 В и выше.

Мощность двигателя 200 кВт, КПД 90%, cos? = 0.92. Рассчитаем Е:

Из таблицы 2 видно, что уже варистор СН2-2 750 В имеет более высокую энергию рассеяния (248 Дж), поэтому он и должен использоваться.

При использовании двухфазной нагрузки величину мощности не нужно делить на 3. Расчеты показывают, что уже варистор СН2-2 (вар. А,Г) в большинстве случаев обеспечивает защиту электрооборудования мощностью до 30 кВт. Это означает, что для бытовых электроприборов практически достаточно рассмотрение лишь п.1 и применять малогабаритные варисторы типа СН2-1 или аналогичные. На практике есть случаи, когда величина расчетного рабочего тока не совпадает с экспериментальными значениями. Как правило это бывает на переменном токе, когда не учитывают величину реактивного тока, который можно рассчитать по известным формулам. Так реактивный ток варистора СН2-1 с классификационным напряжением 430В (его номи- нальная емкость 600пФ), при установке в бытовую сеть 220В составит 0,04мА (что соиз- меримо с предельным рабочим током 0,1мА).

Совместная работа варисторов

Вполне очевидно, что варисторы могут работать при последовательном включении — при этом в них протекает одинаковый ток, общее напряжение разделится пропорционально сопротивлениям (в первом приближении- пропорционально классификационным напряжениям), в этих же пропорциях разделится поглощаемая энергия. Сложнее обеспечить параллельную работу варисторов — необходимо строгое совпадение ВАХ. Эта задача вполне разрешима при последовательно-параллельной схеме включения — т.е. варисторы последовательно собираются в столбы, а столбы соединяются параллельно. При этом путем подбора варисторов обеспечивают совпадение ВАХ столбов варисторов. Так поступают при создании высоковольтных, мощных ограничителей перенапряжений (ОПН).

Литература

1. ГОСТ 13109-97 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
2. Пантелеев В.А. Вольтамперные характеристики силовых варисторов. В кн.: Проблемы освоения природных ресурсов Европейского Севера. Ухта: Изд. УИИ, 1996. с. 12 – 17.
3. ТУ 11-85. Варисторы постоянные СН2-1. Технические условия. ОЖО.468.171.
4. ТУ 11-85. Варисторы постоянные ВР-1. Технические условия.ОЖО.468.227.
5. ТУ 11-85. Варисторы постоянные СН2-2. Технические условия. ОЖО.468.205.
6. Квасков В.Б. Полупроводниковые приборы с биполярной проводимостью.-М: Энерго- атомиздат. 1988.-128 с.: ил.

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, т. е. он может работать и на переменном напряжении. Варистор должен защищать подключённую к сети электроаппаратуру аппаратуру от перенапряжений – это его основная задача. В сети могут появляться не только кратковременные высоковольтные импульсы напряжения, но и долговременное повышение напряжения до 380В. При длительных перенапряжениях, примеру при перекосе фаз при использовании на другой фазе сварочного аппарата, варистор должен выдержать перенапряжение и не разрушиться до момента срабатывания защитного аппарата или предохранителя, стоящего перед ним. С увеличением напряжения растет ток через варистор, резко увеличиваясь до номинального значения варистора. Электрофизическая керамика широко используется в электротехнике высоких напряжений. Пример тому – варисторы - основа устройств защиты электросетей от коммутационных и грозовых перенапряжений. Оксидно-цинковые варисторы (ОЦВ) – наиболее популярный вид. Они изготавливается из поликристаллической многокомпонентной системы, в состав которой, наряду с оксидом цинка (Zn0), входят оксиды висмута (Bi2O3), сурьмы (Sb2O3), кобальта (Co3O4), марганца (MnO2), хрома (Cr2O3) и ряда других элементов.

Вот такие бывают варисторы:

варистор 220KD07 (14V)

варистор 270KD07 (17V)

варистор 330KD07 (20V)

варистор 390KD07 (25V)

варистор 560KD07 (35V)

варистор 680KD07 (40V)

варистор 101KD07 (60V)

варистор 121KD07 (75V)

варистор 121KD10 (75V)

варистор 151KD07 (95V)

варистор 151KD10 (95V)

варистор 181KD07 (115V)

варистор 181KD10 (115V)

варистор 221KD10 (140V)

варистор 241KD07 (150V)

варистор 241KD10 (150V)

варистор 241KD14 (150V)

варистор 271KD07 (175V)

варистор 271KD10 (175V)

варистор 301KD14 (200V)

варистор 331KD10 (210V)

варистор 331KD14 (210V)

варистор 361KD10 (230V)

варистор 361KD14 (230V)

варистор 361KD20 (230V)

варистор 391KD07 (250V)

варистор 391KD10 (250V)

варистор 391KD14 (250V)

варистор 391KD20 (250V)

варистор 431KD07 (275V)

варистор 431KD10 (275V)

варистор 431KD14 (275V)

варистор 431KD20 (275V)

варистор 471KD07 (300V)

варистор 471KD10 (300V)

варистор 471KD14 (300V)

варистор 471KD20 (300V)

варистор 561KD14 (350V)

варистор 561KD20 (350V)

варистор 561KD32 (350V)

варистор 621KD10 (385V)

варистор 621KD14 (385V)

варистор 621KD20 (385V)

варистор 681KD14 (420V)

варистор 681KD20 (420V)

варистор 821KD20 (510V)

варистор 102KD20 (625V)

Варисторы устанавливаются параллельно защищаемому электрооборудованию. В случае трехфазной нагрузки при соединении "звездой" они включаются в каждую фазу между фазой и землей, а при соединении нагрузки "треугольником" - между фазами. Наиболее предпочтительное место установки варисторов - сразу после коммутационного аппарата со стороны защищаемой нагрузки. Заводом "ПРОГРЕСС" выпускается очень удобный трехфазный ограничитель импульсных напряжений "Импульс-1", который представляет собой устройство для закрепления варисторов на электрощите, содержащее помещенные в корпус приспособления - держатели для трех варисторов, снабженные выводами. Это устройство позволяет легко реализовывать схемы защиты трехфазной нагрузки, соединенной как "звездой", так и "треугольником", а также защищать до трех независимых электроустановок, питающихся от однофазной сети.

Выбор типа используемого варистора и определение его классификационного напряжения осуществляется на основе анализа работы варистора в двух режимах: в рабочем и в импульсном.

1. Анализ работы варистора в рабочем режиме состоит в определении по таблице 1 такого классификационного напряжения, для которого длительное максимальное напряжение на нагрузке наиболее близко к табличному значению, но не превосходит его. Данные таблицы справедливы для варисторов с предельными отклонениями классификационного напряжения не более 10 % . для варисторов зарубежного производства в большинстве случаев указывается в составе маркировки.

2. Анализ работы варистора в импульсном режиме состоит в расчете максимальной мгновенной энергии по формуле:

E=P*tg(phi)/2п*f*n

где E - максимальная мгновенная энергия в джоулях, P - номинальная мощность нагрузки, приходящаяся на одну фазу (Вт), f - частота переменного напряжения (Гц), n - КПД защищаемой нагрузки. Такие расчеты обычно выполняются для нагрузок в несколько киловатт и более.

По таблице 2 выбирают тип варистора, обеспечивающего рассеивание энергии, значение которой рассчитано по приведенной формуле.

Таблица 1 В вольтах

Таблица 2

Только имейте в виду некоторые производители пишут на варисторах классификационное напряжение варистора , а некоторые значение на переменный ток.

На варисторах российского производства пишется классификационное напряжение.

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

Номинальное напряжение определяет максимально возможное напряжение, которое может быть применено к варистору. Превысить номинальное напряжение может только непродолжительный импульс перенапряжения, а именно ток перегрузки (импульсный) Imax и энергия импульса Wmax. При работе варистора к нему применяются амплитуда и количество импульсов, что и является характеристикой импульсов стандартной формы.

Wmax - энергия, которая рассеивается варистором, когда через него протекает импульса тока 10/1000. Характеристика Pmax должна иметься в виду, когда варистор не справляется с рассеиванием тепла в паузах между приложенными импульсами тока и перегревается. В целом Pmax зависит от размера и конструкции выводов варистора.

Обозначение варисторов:

Цифра до букв это диаметр варистора в мм. Цифры после букв это напряжение 431 = 430в, 471 = 470в. Бывает часто пишут маркировку без букв. Типа 7271, 10751.

Примеры: защита от скачков напряжений в ИБП ХВОХ-360 из Англии где 240в, стояло 2 параллельно варистора на 431 (430в).

Варистор в ИБП на 120в от игровой приставки WII из США стоял 7Z271 на 270в.

Варистор в ИБП на 220в от DVD плеера для России стоял 10Z471 на 470в.

Варистор в ИБП на 220в от CRT-телевизора Samsung 21" стоял TVR10751 (750в).

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

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.

Варисторы можно соединять последовательно и параллельно , у них сопротивление нелинейное, напряжение между ними само выровняется. По сути варистор можно считать двухсторонним (на зависящим от полярности) стабилитроном, только с более мягкой характеристикой. К примеру нужно получить варистор на 360В, для этого возьмем два по 180В и соединим их последовательно! Для увеличения мощности варистора из нескольких небольших, можно получить мощную сборку, соединив их параллельно, однако надо учесть что существует определенный разброс параметров классификационных напряжений у каждого варистора из сборки, поэтому применение одного более мощного варистора более предпочтительно. Чтобы обеспечить нормальную параллельную работу варисторов - необходимо строгое совпадение ВАХ. Эта задача вполне разрешима при последовательно-параллельной схеме включения - т.е. варисторы последовательно собираются в столбы, а столбы соединяются параллельно. При этом путем подбора варисторов обеспечивают совпадение ВАХ столбов варисторов. Так поступают при создании высоковольтных, мощных ограничителей перенапряжений (ОПН).

Частой причиной выхода из строя оборудования, например, блоков питания, является наличие в сети импульсов перенапряжения. Они могут быть вызваны различными электромагнитными помехами, связанными с грозовыми разрядами, либо с коммутацией и разрядами индуктивных и емкостных элементов цепи, а также соответствующими переходными процессами.

Варистор - что это такое, где он применяется, и зачем необходим? Данный элемент электронных схем довольно редко используется, поэтому название его не на слуху. Давайте исправим это и ознакомимся с его работой и принципом устройства.

Общая информация

Электроустановки обладают изоляцией, которая соответствует Реальный показатель может отличаться от теоретического значения. Но работа будет обеспечиваться в случае, если отклонение невелико и находится в рамках разрешенного диапазона. И всё же электрооборудование часто выходит из строя из-за импульса напряжения. Так называют резкое изменение характеристики в определённой точке, когда следует восстановление до первоначального уровня за небольшой промежуток времени. Импульсы могут быть грозовые и коммутационные. Чтобы защититься от таких перепадов, используют различные устройства, среди которых фильтры, цепочки и много других разработок. Но наиболее успешным оказался варистор. Что это такое? Так называют эффективное и дешевое средство защиты от импульсов, которое базируется на нелинейных полупроводниковых резисторах. Принцип их действия прост: варистор включается параллельно к защищаемому оборудованию и в нормальном режиме на него влияет рабочее напряжение защищаемого устройства. Когда наступает экстренная ситуация, то он начинает функционировать как изолятор. Их отличительной чертой является симметричная и хорошо выраженная нелинейная вольт-амперная характеристика.

Действия варистора

Когда возникает импульс, то устройство в силу нелинейности характеристики быстро уменьшает свое сопротивление (до долей Ома) и шунтирует нагрузку. Таким образом она защищается, а поглощенная энергия рассеивается в виде тепла. Во время таких процессов в варисторах может протекать ток величиной в несколько тысяч ампер. Учитывая практически безынерционность устройства, после того как импульс погашен, он опять становится прибором с большим сопротивлением. Таким образом, в нормальных условиях он не влияет на работу электрооборудования. Но есть будут импульсы то будьте уверены - они срежутся. Это обеспечивает сохранность даже слабой изоляции.

Самые популярные образцы

Говоря про варистор, что это такое, нельзя обойти стороной материалы, из которых он изготавливается. Наибольшее распространение получили те устройства, которые сделаны с использованием Это обусловлено несколькими причинами:

1. Простота изготовления.
2. Цинк имеет хорошую способность к поглощению высокоэнергетических импульсов напряжения.

Создаются они по «керамической» технологии, которая включает в себя прессование, обжиг, нанесение электродов и электроизоляции, пайку выводов и монтаж влагозащитных покрытий. Благодаря простоте изготовления они могут создаваться даже под индивидуальные заказы.

Маркировка

Мы уже достаточно внимания уделили изучению того, чем является варистор. Маркировка этого прибора сложна, и поэтому при приобретении устройства о нём нельзя судить по данным, размещенным на корпусе. Рассмотрим на вот таком примере: есть CNR-06D400K. CNR - это название типа, в данном случае перед нами металлооксидный варистор. 06 - он имеет диаметр в 6 миллиметров. D - перед нами дисковый варистор. 400 - напряжение срабатывания. K - эта буква говорит о том, что допуск возможного отклонения имеет погрешность в 10%. Если говорить о компьютерной технике, то у них варисторы рассчитаны на 470В. Согласитесь, немало. Но ведь существует не один варистор! Маркировка этих деталей проводится каждым крупным производителем по-своему, поэтому универсальных и стандартизированных правил распознавания нет. Поэтому нужно пользоваться или помощью продавцов, или прибегать к услугам справочников.

Изображение

Если мы не хотим, чтобы техника сгорела, то нам важен варистор. Обозначение на схеме выглядит как у обычного резистора, только есть ещё косая линия и буква U. Она говорит о том, что рабочие характеристики напрямую зависят от величины напряжения. Но может и по-другому выглядеть варистор. Обозначение на схеме для него задаётся как RU, после чего указываются цифры. Число является порядковым номером, а вот буквы обозначают название устройства: резистор-варистор. Также могут быть информационные обозначения. Это можно отнести к популярной отечественной продукции, которая изготавливается на заводе «Прогресс» в Ухте. Их варистор на схеме может быть промаркирован буквами от А до Г.

Проверка работоспособности элемента

Вот у нас в руках есть варистор. Как проверить его работоспособность? Начинать всегда необходимо с внешнего осмотра устройства. Необходимо внимательно поискать на корпусе сколы, трещины, почернения или следы нагара. Если есть внешние дефекты, то уже одно это говорит о том, что элемент необходимо заменить или не использовать вообще. Если при осмотре не было выявлено проблем, то можно приступать к проверке мультиметром. В этом случае тестер необходимо переключить на режим замера максимального сопротивления. Вот самый простой способ узнать, рабочий ли варистор. Как проверить его работоспособность, мы уже рассмотрели, теперь давайте обсудим, как же подбирать необходимые элементы.

Оптимальный рабочий режим

В силу высокой линейности устройства найти наилучшие параметры для схемы - задача не из легких. Для этого применяются довольно сложные и многочисленные расчеты. Большую важность в этом случае играет рабочий ток, значение которого должно быть минимальным и не вести к перегреву устройства. Но здесь приходится балансировать. Ведь если использовать слишком малой рабочий ток, то увеличится ограничение напряжения, и устройство не будет выполнять свою основную функцию. В качестве "ленивого" варианта можно взять на вооружение такой принцип: рабочее постоянное напряжение не должно превышать 0,85 от порога варистора. Но этот простой подход на практике является малоприменимым. Ведь работа варистора специфическая, и желаемый результат, а также рамки ограничения должны подбираться под каждый конкретный случай.

Выбор и установка

Про то, что варисторы должны размещаться параллельно защищаемому электрооборудованию, мы уже говорили. Наиболее предпочтительным местом монтажа варисторов считается место после (если смотреть со стороны нагрузки, которую необходимо защитить). В качестве примера уже готового решения можно привести продукцию ранее упомянутого завода «Прогресс» с названием «Импульс-1». Такой варистор предназначен для того, чтобы его закрепляли на электрощите. Благодаря ему можно просто реализовать схему защиты трехфазных нагрузок с соединением «звезда» или «треугольник». Или в качестве альтернативы выбрать защиту 3 электроустановок, которые питаются от трехфазной сети.

Параметры

Говоря про варистор, что это такое, нельзя обойти вниманием его характеристики, которые важны в работе:

1. Классификационное напряжение. Так называют величину, при которой ток в 1 мА протекает через устройство.
2. Максимальное допустимое переменное напряжение. Под этим понимается величина, при которой варистор срабатывает и начинает выполнять возложенные на него защитные функции.
3. Максимальное допустимое постоянное напряжение. То же, что и с предыдущим вариантом. Но в данном случае этот параметр касается работы с постоянным током.
4. Максимальное Это величина, при которой варистор может работать без повреждений. Как правило, указывается отдельно для разных значений тока. Если превысить эту величину, то варистор треснет надвое или даже разлетится на куски.
5. Максимальная поглощаемая энергия. Указывается в джоулях. Является величиной максимальной энергии импульса, которая может быть рассеяна варистором в виде тепла без угрозы разрушить само устройство.
6. Время срабатывания. Это промежуток, за который устройство переходит из одного состояния в другое, если было превышено максимальное допустимое напряжение. Как правило, измеряется в десятках наносекунд.
7. Допустимое отклонение. Это величина, изменение на которую квалификационного напряжения варистора считается нормой. Всегда указывается в процентах. Как можно было понять из статьи ранее, данный параметр обозначается буквой в конце маркировки.

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 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.