Для чего нужен варистор на входе питания

Вари́стор (лат. vari(able) – переменный (resi)stor — резистор) — полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление (проводимость) которого нелинейно зависит от приложенного напряжения, то есть обладающий нелинейной симметричной вольт-амперной характеристикой и имеющий два вывода. Обладает свойством резко уменьшать своё сопротивление с миллиардов до десятков Ом при увеличении приложенного к нему напряжения выше пороговой величины [1] . При дальнейшем увеличении напряжения сопротивление уменьшается ещё сильнее. Благодаря отсутствию сопровождающих токов при скачкообразном изменении приложенного напряжения, варисторы являются основным элементом для производства устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).

Содержание

Изготовление [ править | править код ]

Изготавливают варисторы спеканием при температуре около 1700 °C полупроводника, преимущественно порошкообразного карбида кремния (SiC) или оксида цинка (ZnO), и связующего вещества (например, глина, жидкое стекло, лаки, смолы). Далее две поверхности полученного элемента металлизируют (обычно электроды имеют форму дисков) и припаивают к ним металлические проволочные выводы.

Конструктивно варисторы выполняются обычно в виде дисков, таблеток, стержней; существуют бусинковые и плёночные варисторы. Широкое распространение получили стержневые подстроечные варисторы с подвижным контактом.

Свойства [ править | править код ]

Нелинейность характеристик варисторов обусловлена локальным нагревом соприкасающихся граней многочисленных кристаллов карбида кремния (или иного полупроводника). При локальном повышении температуры на границах кристаллов сопротивление последних существенно снижается, что приводит к уменьшению общего сопротивления варисторов.

Один из основных параметров варистора — коэффициент нелинейности λ — определяется отношением его статического сопротивления R к динамическому сопротивлению Rd:

λ = R R d = U I : d U d I ≈ c o n s t <displaystyle lambda =<frac >>=<frac >:<frac >approx const> ,

где U – напряжение, I – ток варистора

Коэффициент нелинейности лежит в пределах 2-10 у варисторов на основе SiC и 20-100 у варисторов на основе ZnO.

Применение [ править | править код ]

Низковольтные варисторы изготавливают на рабочее напряжение от 3 до 200 В и ток от 0,0001 до 1 А; высоковольтные варисторы — на рабочее напряжение до 20 кВ.

Варисторы применяются для стабилизации и регулирования низкочастотных токов и напряжений, в аналоговых вычислителях — для возведения в степень, извлечения корней и других математических действий, в цепях защиты от перенапряжений (например, высоковольтные линии электропередачи, линии связи, электрические приборы) и др.

Высоковольтные варисторы применяются для изготовления ограничителей перенапряжения.

Как электронные компоненты, варисторы дёшевы и надёжны, способны выдерживать значительные электрические перегрузки, могут работать на высокой частоте (до 500 кГц). Среди недостатков — значительный низкочастотный шум и старение — изменение параметров со временем и при колебаниях температуры.

Материалы варисторов [ править | править код ]

Тирит, вилит, лэтин, силит — полупроводниковые материалы на основе карбида кремния с разными связками. Оксид цинка — новый материал для варисторов.

Параметры [ править | править код ]

При описании характеристик варисторов в основном используются следующие параметры [1] :

  • Классификационное напряжение Un — напряжение при определённом токе (обычно 1 мА), условный параметр для маркировки изделий;
  • Максимально допустимое напряжение Um для постоянного тока и для переменного тока (среднеквадратичное или действующее значение), диапазон — от нескольких В до нескольких десятков кВ; может быть превышено только при перенапряжениях;
  • Номинальная средняя рассеиваемая мощность P — мощность в ваттах (Вт), которую варистор может рассеивать в течение всего срока службы при сохранении параметров в заданных пределах;
  • Максимальный импульсный ток Ipp (Peak Surge Current) в амперах (А), для которого нормируется время нарастания и длительность импульса;
  • Максимальная допустимая поглощаемая энергия W (Absorption energy) в джоулях (Дж), при воздействии одиночного импульса;
  • Ёмкость Co, измеренная в закрытом состоянии при заданной частоте; зависит от приложенного напряжения — когда варистор пропускает через себя большой ток, она падает до нуля.
Читайте также:  Зернистость шкурки шлифовальной таблица

Рабочее напряжение варистора выбирается исходя из допустимой энергии рассеяния и максимальной амплитуды напряжения. Рекомендуется, чтобы на переменном напряжении оно не превышало 0,6 Un, а на постоянном — 0,85 Un. Например, в сети с действующим напряжением 220 В (50 Гц) обычно устанавливают варисторы с классификационным напряжением не ниже 380…430 В.

Что такое варистор и для чего он применяется, рассмотрен принцип действия варистров, их вольт-амперная характеристика, приведены основные параметры варисторов отечественного производства, а также параметры для дисковых варисторов серии TVR. Как выглядит из себя варистор который применяется в бытовой радиоаппаратуре, а также внешний вид мощных варистров.

Принцип работы варистора

Варисторы, 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 (рисунок 1), то есть он может работать и на переменном напряжении.

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика варистора.

Варисторы подсоединяют параллельно нагрузке, и при броске входного напряжения основной ток помехи протекает через них, а не через аппаратуру.

Таким образом, варисторы рассеивают энергию помехи в виде тепла. Так же, как и газоразрядник, варистор является элементом многократного действия, но значительно быстрее восстанавливает свое высокое сопротивление после снятия напряжения.

Достоинством варисторов, по сравнению с газоразрядниками, являются:

  • большее быстродействие;
  • безынерционное отслеживание перепадов напряжений;
  • выпускаются на более широкий диапазон рабочих напряжений (от 12 до 1800 В); о длительный срок эксплуатации;
  • имеют более низкую стоимость.

Варисторы широко применяются в промышленном оборудовании и приборах бытового назначения:

  • для защиты полупроводниковых приборов: тиристоров, симисторов, транзисторов, диодов, стабилитронов;
  • для электростатической защиты входов радиоаппаратуры;
  • для защиты от электромагнитных всплесков в мощных индуктивных элементах;
  • как элемент искрогашения в электромоторах и переключателях.

Виды варисторов

Типовое значение времени срабатывания варисторов при воздействии перенапряжения составляет не более 25 наносекунд (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 нс (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.

Читайте также:  Идеи для лазерной резки фанеры

Малое время срабатывания, высокая надежность, отличные пиковые электрические характеристики в широком диапазоне рабочей температуры при малых размерах ставят многослойные варисторы на первое место при выборе элементов защиты от статических зарядов.

Рис. 2. Внешний вид варисторов.

Рис. 3. Внешний вид мощных варисторов.

Например, в области производства сотовых телефонов многослойные варисторы можно считать уже стандартом в защите от статического электричества.

CN-варисторы могут надежно защищать от статических разрядов: клавиатуры, разъемы для подключения факса и модема, соединители зарядных устройств, входы интегральных аналоговых микросхем, выводы микропроцессоров.

Характеристики варисторов

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.
  • Ipp — максимальный импульсный ток, для которого время нарастания/длительность импульса: 8/20 мкс;
  • Со — емкость, измеренная в закрытом состоянии, при работе ее значение зависит от приложенного напряжения, и когда вари-стор пропускает через себя большой ток, она падает до нуля.

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

Для применения рабочее напряжение у варисторов выбирается исходя из допустимой энергии рассеяния и максимально допустимой амплитуды напряжения. Напряжение ограничения примерно равно квалификационному напряжению (Un) варистора.

Для ориентировочных расчетов рекомендуется, чтобы на переменном напряжении оно не превышало Uвх PCBWay – всего $5 за 10 печатных плат, первый заказ для новых клиентов БЕСПЛАТЕН

  • Сборка печатных плат от $88 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет
  • Онлайн просмотрщик Gerber-файлов от PCBWay!
  • Если при ремонте кондиционера вы обнаружили на плате сгоревший предохранитель не спешите его тут же менять, вначале выясните причину по которой он сгорел.

    Скорее всего это произошло из-за скачков напряжения в сети.

    При измерении в сети напряжение питания оно постоянно колеблется,причём не всегда в пределах безопасных для кондиционеров.

    Плюс к этому в сети всегда присутствуют короткие импульсы напряжением в несколько киловольт. Происходит это из-за постоянного отключения и включения индуктивной и ёмкостной нагрузки (электродвигатели,трансформаторы и т. д.), а также из-за атмосферного электричества.

    Кондиционеры, как и любую другую электронную технику защищают на этот случай варисторами. Точнее электронную начинку кондиционера-плату управления.

    Стандартная схема подключения варистора

    параллельно защищаемой нагрузке подключают варистор VA1, а перед ним ставят предохранитель F1:

    Принцип действия варистора

    По сути варистор представляет собой нелинейный полупроводниковый резистор, проводимость которого зависит от приложенного к нему напряжения. При нормальном напряжении варистор пропускает через себя пренебрежительно малый ток, а при определённом пороговом напряжении он открывается и пропускает через себя весь ток. Таким образом он фильтрует короткие импульсы, если же импульс будет более длинным, и ток идущий через варистор превысит номинальный ток срабатывания предохранителя, то он попросту сгорит, обесточив и защитив нагрузку.

    Читайте также:  Основные виды механических передач

    Маркировка варисторов

    Существует огромное количество варисторов разных производителей, с разным пороговым напряжение срабатывания и рассчитанные на разный ток. Узнать какой стоял варистор можно по его маркировке. Например маркировка варисторов CNR:

    CNR-07D390K , где:

    • CNR- серия, полное название CeNtRa металлоксидные варисторы
    • 07- диаметр 7мм
    • D – дисковый
    • 390 – напряжение срабатывания, рассчитываются умножением первых двух цифр на 10 в степени равной третьей цифре, то есть 39 умножаем на 10 в нулевой степени получатся 39 В, 271-270 В и т. д.
    • K – допуск 10 %, то есть разброс напряжения может колебаться от номинального на 10 % в любую сторону.

    Как же найти на плате варистор?

    По схеме приведённой выше, видно что этот элемент находится рядом с предохранителем в месте прихода на плату проводов питания. Обычно это диск жёлтого или тёмно-зелёного цвета.

    На фото варистор указан красной стрелкой. Можно было подумать что варистор это синяя деталь, покрытая чёрной копотью, но на увеличении видно трещины на корпусе варистора, от которого покрылись нагаром расположенные рядом детали.Хорошо это видно и с обратной стороны, где написаны условные обозначения. Даже если их не будет, распознать варистор можно, зная что он подсоединён параллельно нагрузке или по маркировке на его корпусе.

    VA1- это варистор, а синяя деталь рядом это конденсатор-С70.

    Не путайте их, по форме они одинаковые, так что ориентируйтесь на маркировку и условные обозначения на плате.

    После того как вы нашли варистор, его нужно выпаять, чтобы потом на его место установить новый.Для выпаивания варисторов я обычно использую газовый паяльник, потому что не всегда в месте ремонта есть электропитание – на строящемся объекте, на крыше, например.Ещё очень удобно пользоваться оловоотсосом -разогреть место пайки и оловоотсосом удалить расплавившийся припой.

    Но для этих целей вполне подойдёт пинцет или обычные плоскогубцы-нужно захватить ножку детали и вытянуть когда припой расплавится.Если у вас плохо плавится припой, то скорее всего он на плате высокотемпературный-так называемый бессвинцовый (может заметили на моей плате надпись PbF – плюмбум фри). В этом случае нужно или увеличить температуру жала паяльника или же капнуть сверху другого более низкотемпературного, место пайки расплавится и можно будет удалить деталь. После этого вставляем новый варистор и припаиваем его.

    Для пайки очень удобно пользоваться припоем в виде проволоки у которого внутри уже есть флюс.

    Ещё обратите внимание, что большинство плат – двусторонние, поэтому припаивать ножки детали нужно с обеих сторон платы, так как нередко бывает что ножка детали выполняет роль перемычки между дорожками с разных сторон платы.

    После замены варистора остаётся только поставить новый предохранитель и установить плату на место.

    Обычно в платах кондиционера стоят варисторы на напряжение 470 В, и предохранители номиналом от 0.5 А до 5 А. Поэтому рекомендую всегда иметь при себе небольшой запас этих деталей.

    Для тех, кто хочет нагляднее увидеть процесс , выкладываю видео урок:

    Для тех кому требуется отремонтировать плату, путём замены варистора, помогут наши сервисные специалисты, цены смотрите здесь.