Что такое варистор?
Слово «варистор» является результатом сочетания слов «variable» и «resistor», что указывает на электрический компонент, способный автоматически изменять свое сопротивление в зависимости от приложенного напряжения. Важно отметить, что, в отличие от потенциометра или реостата, сопротивление варистора не может быть изменено вручную. Вместо этого оно меняется динамически при изменении напряжения, что делает его также известным как зависимый от напряжения резистор (VDR — Voltage Dependent Resistor). Таким образом, варистор обладает способностью адаптироваться к изменениям в сети и обеспечивать защиту от перенапряжений или управление потоком тока в электрических схемах.
Варисторы - это устройства, которые имеют симметричную и нелинейную вольт-амперную характеристику. Это означает, что их сопротивление резко уменьшается при превышении определенного напряжения и возвращается к исходному значению после снижения напряжения. Таким образом, варисторы обладают способностью защищать электронные устройства от перенапряжений, так как при этом их сопротивление уменьшается, предотвращая повреждения оборудования.
Варисторы изготавливаются из полупроводниковых материалов, таких как карбид кремния SiC или оксид цинка ZnO с добавлением дополнительных оксидов и связующего вещества, такого как эпоксидная смола.
Главное различие между варистором на основе SiC и ZnO заключается в том, что варистор на основе ZnO имеет более низкий ток утечки в обычных условиях работы и обладает более высокой скоростью блокирования импульсов повышенного напряжения.
MOV-Варисторы.
При возникновении всплеска высокого напряжения на входе электронной схемы, необходимо защитить ее от катастрофических последствий. В этом случае важную роль играет варистор, особенно для защиты чувствительных компонентов.
Metal Oxide Varistor (MOV) является наиболее распространенным типом варистора. Его материал состоит из частиц окиси цинка ZnO, смешанных с другими оксидами металлов. Обычно в состав входят оксиды кобальта, висмута и марганца наряду с окисью цинка.
Варистор представляет собой структуру с большим количеством проводящих частиц, разделенных пограничными частицами с высоким сопротивлением. Схожая с p-n-переходами у диодов структура варистора позволяет ему выдерживать высокие токи и энергию при повышенном напряжении благодаря соединению множества микроваристоров последовательно или параллельно. В режиме лавинного пробоя сопротивление пограничных частиц резко снижается, что делает их токопроводящими.
В отличие от полупроводников, где мощность рассеивается только на одном p-n-переходе, варистор распределяет мощность на всех микроваристорах по всему компоненту. Физические размеры варистора определяют его электрические свойства, позволяя ему поглощать большое количество энергии и выдерживать высокие импульсы тока.
Кратковременные импульсы повышенного напряжения могут возникать как из-за внешних факторов, так и из-за особенностей работы электрических схем. Эти импульсы могут быть вызваны как изменениями в источниках питания, так и воздействием различных помех, сильных электромагнитных полей или молнии. Например, часто из-за переключений трансформаторов, двигателей или других индуктивных нагрузок могут возникать короткие пики напряжения.
При нормальной работе схемы, варистор на входе имеет высокое сопротивление и не воздействует на процесс. Однако, если напряжение на варисторе превышает номинальное значение, его сопротивление резко уменьшается, приводя к значительному увеличению тока при даже небольших изменениях напряжения.
MOV-варисторы являются наиболее распространенными элементами для защиты от перенапряжения и могут использоваться при широких диапазонах напряжений и токов. Они эффективно абсорбируют кратковременные всплески напряжения и обладают высокой энергетической способностью. Варисторы доступны с напряжениями от 10 В до более чем 1000 В как постоянного, так и переменного тока. При выборе варистора необходимо, чтобы максимальное значение действующего напряжения было немного выше высшего значения напряжения в цепи. Рекомендуется выбирать напряжение варистора на 10% выше, чем рабочее напряжение защищаемой схемы.
MOV-варисторы имеют серьезные недостатки, связанные с их «старением». Это проявляется в ухудшении параметров и свойств со временем, особенно после повторяющихся мощных импульсов тока и всплесков напряжения. Эти процессы приводят к увеличению тока утечки варистора, что вызывает его нагрев. При этом функционирование варистора зависит от температуры, и при ее увеличении способность варистора поглощать и рассеивать энергию существенно снижается.
MOV-варисторы чаще всего применяются для защиты схем переменного тока. Однако, если их необходимо использовать в схемах постоянного тока, необходимо особо внимательно подходить к их правильному подключению.
Например, если всплески напряжения относительно заземления происходят на всех трех фазах (общий режим транзисторов), то только варистор, подключенный между фазой и заземлением, сможет поглотить энергию. Подключение варисторов между фазами не обеспечит эффективную защиту.
МНОГОСЛОЙНЫЕ ВАРИСТОРЫ.
Многослойные варисторы с технологией поверхностного монтажа широко применяются для защиты от электростатических разрядов (ESD). Их дизайн напоминает структуру конденсаторов MLCC (многослойных керамических конденсаторов).
Эти варисторы имеют следующие преимущества:
- способность выдерживать высокие импульсы тока и их значительную энергию;
- сохранение способности абсорбировать импульсы тока и допустимой мощности при повышенных температурах до +125 °C;
- защита в обоих направлениях;
- неполярность для защиты от обеих сторон;
- отсутствие выводов и паразитной индуктивности, сокращение времени реакции до менее 1 нс;
- низкая цена и компактные размеры для удобного поверхностного монтажа.
Среди недостатков многослойных варисторов можно отметить следующие аспекты:
- блокировочное напряжение имеет слишком высокие значения для защиты компонентов с низким рабочим напряжением;
- большие значения токов утечки;
- погрешность работы после нескольких разрядов ESD.
Варисторы многослойной конструкции способны выдерживать пики импульсов тока в диапазоне от 20 до 500 ампер и используются для защиты от ЭСД-разрядов оборудования с напряжением до 120 В переменного тока.
Они производятся в различных размерах чипов (от 0201 до 2220), аналогично многослойным конденсаторам MLCC. Эти варисторы также нашли применение в автомобильной отрасли, где требуется высокая термостойкость и надежность.
Максимальные по размеру варисторы 2220 MLV способны выдерживать энергию до 25 Дж.
ПОЛИМЕРНЫЕ ВАРИСТОРЫ.
Полимерные варисторы, также известные как PESD, используются для защиты от электростатических разрядов ESD и имеют очень низкую емкость (0.1 пФ и ниже) по сравнению с MOV-варисторами с материалом ZnO. Это делает их идеальными для защиты высокочастотных линий передачи данных и их интерфейсов в системах связи.
Однако полимерные варисторы имеют ограничения в выдерживании высоких импульсов тока и энергии из-за их компактного размера. Также стоит отметить, что после многократных стрессов ESD основные свойства и параметры полимерных варисторов могут ухудшиться.
Корпуса полимерных варисторов имеют малые размеры, начиная от 0402, что делает их удобными для использования в малогабаритных устройствах.
