Варистор. Принцип работы и применение

Варистор является пассивным двухвыводным, твердотельным полупроводниковым прибором, который используется для обеспечения защиты электрических и электронных схем. В отличие от плавкого предохранителя или автоматического выключателя, которые обеспечивают защиту по току, варистор обеспечивает защиту от перенапряжения с помощью стабилизации напряжения подобно стабилитрону.

Слово «Варистор» является аббревиатурой и сочетанием слов «Varistor — variable resistor», резистор, имеющий переменное сопротивление, что в свою очередь описывает режим его работы. Его буквальный перевод с английского (Переменный Резистор) может немного ввести в заблуждения — сравнивая его с потенциометром или реостатом.

фото варистора

Но, в отличие от потенциометра, сопротивление которого может быть изменено вручную, варистор меняет свое сопротивления автоматически с изменением напряжения на его контактах, что делает его сопротивление зависимым от напряжения, другими словами его можно охарактеризовать как нелинейный резистор.

В настоящее время резистивный элемент варистора изготавливают из полупроводникового материала. Это позволяет использовать его как в цепях переменного, так и постоянного тока.

устройство варистора
Варистор во многом похож по размеру и внешнему виду на конденсатор и его часто путают с ним. Тем не менее, конденсатор не может подавлять скачки напряжения таким же образом, как варистор.

Не секрет, что когда в цепи электропитания схемы какого-либо устройства возникает импульс высокого напряжения, то исход зачастую бывает плачевным. Поэтому применение варистора играет важную роль в системе защиты чувствительных электронных схем от скачков напряжения и высоковольтных переходных процессов.

Всплески напряжения возникают в различных электрических схемах независимо от того, работают они от сети переменного или постоянного тока. Они часто возникают в самой схеме или поступают в нее от внешних источников. Высоковольтные всплески напряжения могут быстро нарастать и доходить до нескольких тысяч вольт, и именно от этих импульсов напряжения необходимо защищать электронные компоненты схемы.

Один из самых распространенных источников подобных импульсов – индуктивный выброс, вызванный переключением катушек индуктивности, выпрямительных трансформаторов, двигателей постоянного тока, скачки напряжения от включения люминесцентных ламп и так далее.

Форма волны переменного тока в переходном процессе

переходные процессы в электросети

Варисторы подключаются непосредственно к цепям электропитания (фаза — нейтраль, фаза-фаза) при работе на переменном токе, либо плюс и минус питания при работе на постоянном токе и должны быть рассчитаны на соответствующее напряжение. Варисторы также могут быть использованы для стабилизации постоянного напряжения и главным образом для защиты электронной схемы от высоких импульсов напряжения.

Статическое сопротивление варистора

 сопротивление варистора

При нормальной работе, варистор имеет очень высокое сопротивление, поэтому его работа схожа с работой стабилитрона. Однако, когда на варисторе напряжение превышает номинальное значение, его эффективное сопротивление сильно уменьшается, как показано на рисунке выше.

Мы знаем из закона Ома, что ток и напряжение имеют прямую зависимость при постоянном сопротивлении. Отсюда следует, что ток прямо пропорционален разности потенциалов на концах резистора.

Но ВАХ (вольт-амперная характеристика) варистора не является прямолинейной, поэтому в результате небольшого изменения напряжения происходит значительное изменение тока. Ниже приведена кривая зависимости тока от напряжения для типичного варистора:

ВАХ варистора
Мы можем видеть сверху, что варистор имеет симметричную двунаправленную характеристику, то есть варистор работает в обоих направлениях (квадрант Ι и ΙΙΙ) синусоиды, подобно работе стабилитрона.
Когда нет всплесков напряжения, в квадранте IV наблюдается постоянное значение тока, это ток утечки, составляющий всего несколько мкА, протекающий через варистор.

Из-за своего высокого сопротивления, варистор не оказывает влияние на цепь питания, пока напряжение находится на номинальном уровне. Номинальный уровень напряжения (классификационное напряжение) — это такое напряжение, которое необходимо приложить на выводы варистора, чтобы через него проходил ток в 1 мА. В свою очередь величина этого напряжения будет отличаться в зависимости от материала, из которого изготовлен варистор.

При превышении классификационного уровня напряжения, варистор совершает переход от изолирующего состояния в электропроводящее состояние. Когда импульсное напряжение, поступающее на варистор, становится больше, чем номинальное значение, его сопротивление резко снижается за счет лавинного эффекта в полупроводниковом материале. При этом малый ток утечки, протекающий через варистор, быстро возрастает, но в тоже время напряжение на нем остается на уровне чуть выше напряжения самого варистора. Другими словами, варистор стабилизирует напряжение на самом себе путем пропускания через себя повышенного значения тока, которое может достигать не одну сотню ампер.

Емкость варистора

Поскольку варистор, подключаясь к обоим контактам питания, ведет себя как диэлектрик, то при нормальном напряжении он работает скорее как конденсатор, а не как резистор. Каждый полупроводниковый варистор имеет определенную емкость, которая прямо пропорциональна его площади и обратно пропорциональна его толщине.

При применении в цепях постоянного тока, емкость варистора остается более-менее постоянной при условии, что приложенное напряжение не больше номинального, и его емкость резко снижается при превышении номинального значения напряжения. Что касается схем на переменном токе, то его емкость может влиять на стабильность работы устройств.

Подбор варистора

Чтобы для конкретного устройства правильно подобрать варистор, желательно знать сопротивление источника и мощность импульсов переходных процессов. Варисторы на основе оксидов металлов имеют широкий диапазон рабочего напряжения, начиная от 10 вольт и заканчивая свыше 1000 вольт переменного или постоянного тока. В общем необходимо знать на каком уровне напряжения нужно защитить схему электроприбора и взять варистор с небольшим запасом, например для сети 230 вольт подойдет варистор на 260 вольт.

Максимальное значение тока (пиковый ток) на которое должен быть рассчитан варистор, определяется длительностью и количеством повторений всплесков напряжения. Если варистор установлен с малым пиковым током, то это может привести к его перегреву и выходу из строя. Таким образом, для безотказной работы, варистор должен быстро рассеивать поглощенную им энергию переходного импульса и безопасно возвращаться в исходное состояние.

Варианты подключения варистора

 подключение варистора

Подведем итог

В данной статье мы узнали, что варистор это тип полупроводникового резистора, имеющий нелинейную ВАХ. Он является надежным и простым средством обеспечения защиты от перегрузки и скачков напряжения. Варисторы применяются в основном в чувствительных электронных схемах. В случае если питающее напряжение неожиданно превышает нормальное значение, варистор защищает схему за счет резкого снижения собственного сопротивления, шунтируя цепь питания и пропуская через себя пиковый ток, доходящий порой до сотен ампер.

Классификационное напряжение варистора — это напряжение на самом варисторе при протекании через него тока в 1 мА. Эффективность работы варистора в электронной или электрической цепи зависит от правильного его выбора в отношении напряжения, тока и силы энергии всплесков.

Скачать справочные материалы по зарубежным варисторам (3,0 Mb, скачано: 4 025)

редактор
Отправить сообщение об ошибке.

6 комментариев

  • 17.04.2017 at 03:05

    Почему тогда во всех сетевых фильтрах стоят варисторы 14D471K на 471В срабатывание? Ток макс 4600А вроде или 4.6кА в течении нескольких секунд

    Ответить
    • 16.03.2018 at 01:32

      Всё правильно. Электрики рекомендуют 14D471K, либо 20D471K, где 14 или 20 — диаметр корпуса (20 лучше, рассеит больше тепла и прослужит дольше), а 471 — Классификационное напряжение.

      Рассчитывается так — 470 \ 1.1 \ 1,42 = ~300 Вольт. (1.1 — это 10% резерв, а 1,42 — это амплитудное значение).

      Так как у нас сеть 220 вольт ПЕРЕМЕННОГО тока (среднее значение), то бывают амплитудные волны до ~300-310 вольт (это нормально). Поэтому, именно с этих значений нужно гасить скачки напряжения, то есть от 300+ вольт.

      300вольт*1,1*1,42= ~470 вольт (иногда можно увидеть S14K300, в этом случае надо смотреть на Классификационное напряжение 470вольт).

      Ответить
      • 19.03.2018 at 08:17

        Здравствуйте
        У нас произошел случай — БП 115-230 VAC. Использовался в оборудовании на постоянном токе. Рабочее напряжение 200-220 В постоянки (применяется в производстве). Произошло повышение рабочего напряжения до 264 В. В БП сгорел варистор и утащил на корпус дугу (минус на земле) и некоторые элементы схемы.
        Такой вопрос — на сколько разница в варисторах на постоянное напряжение и переменное? Могло ли оказаться так что варистор не предназначен для работы на постоянном напряжении какое оказалось у нас. Подскажите где искать такую информацию. Руководство требует от нас разъяснений.

        Ответить
        • 19.03.2018 at 13:12

          Я к сожалению не электрик, только учусь, но из инфы в свободном доступе: У варисторов хуже с постоянкой. К примеру у варистора 471к — начало срабатывания защиты начинается с 300вольт для переменки, и только 385вольт для постоянки. У варисторов 301к = этот показатель 195 переменка и 250 постоянка. Но они могут довольно сильно греться (или сразу сгорать при работе переменки). Есть 3 способа решения проблемы. 1 Купить стабилизаторы напряжения, лучше всего с ограничением от 170вольт до 250вольт. У некоторых можно в ручную задавать параметры защиты. 2. Перепаять варисторы на меньшие номиналы и бОльший размер варистора (20D). Кроме того! Проверить, есть ли на варисторах термоусадочные трубки! Дело в том, что при пробое варистора, он воспламеняется, может спалить всё, что находится рядом с ним (пластик, элементы схемы), мелкие осколки могут разлететься вокруг и создать замыкание схемы и, в довесок — создать дугу. Чтобы этого не произошло — на них ставятся термоусадочные трубки. 3. Купить сетевые фильтры с фильтрами помех, конденсаторами X2 (ЭМИ) и керамическими конденсаторами на 1,6-2кV+, варисторами, а еще лучше в добавок с газоразрядниками на 2500V. Это в основном нужно для защиты от высоких скачков напряжения, для погашения помех идущих от других устройств и т.д. Подобный фильтр может собрать практически любой электрик, были бы только комплектующие. Да и сетевые фильтры не обязательно покупать дорогие, бывают и сравнительно дешевые модели с подобными характеристиками. Всё пункты вместе будут давать дополнительную защиту как оборудованию, так и человеку, который за этим оборудованием работает. Удачи!

        • 16.05.2018 at 12:32

          Андрей, здравствуйте. Пишу работу, в которой исследовала и эту проблему. Наши образцы срабатывали на переменном напряжении при меньшем значении поля, чем на постоянном. Сравнивали поле, так как варисторы имели немного разную толщину.
          В варисторах различных производителей эта разница колеблется в диапазоне от 30 до 160 кВ/мм.

  • 12.09.2017 at 07:14

    Вот может пригодися, выписал из таблицы реккомендуемых номиналов:

    AC 100v (80~120v) 271k
    AC 200v (180~220v) 431k
    AC 240v (210~250) 471k
    AC 240v (240~265) 511k

    Ответить

Добавить комментарий

Ваш электронный адрес не будет опубликован.

*