ГОСТ IEC 61051-2-2013 Варисторы для электронного оборудования. Часть 2. Групповые технические условия на варисторы для подавления импульсного перенапряжения от 02 апреля 2014 –

Основные параметры и маркировка варисторов

Данный тип полупроводниковых приборов выпускается в двух разновидностях. Низковольтные варисторы срабатывают на напряжение в диапазоне от 3 до 200 Вольт, они применяются в бытовой аппаратуре. Высоковольтные способны реагировать на напряжение до 20 000 Вольт и используются в промышленности.

По маркировке прибора можно понять не только его назначение (и отличить от конденсатора), но и получить представление об основных характеристиках.

Например, варистор с надписью 20d421k имеет диаметр 20 миллиметров, пороговое напряжение открытия в 420 Вольт, а буква k обозначает допустимое отклонение данного напряжения, равное 10 %. То есть этот прибор может сработать уже при подаче 378 Вольт на его контакты (420 – 42).

На электрических схемах варистор обозначается аббревиатурой znrX, где X – количество приборов на данном участке схемы.

Что такое варистор и где применяется

Варистор –  это выполненный из полупроводникового материала переменный резистор, который способен изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от приложенного к нему напряжения.

Принцип действия у такого электронного компонента отличается от обычного резистора и потенциометра. Стандартный резистор имеет постоянное во величине сопротивление в любой промежуток времени вне зависимости от напряжения в цепи, потенциометр позволяет менять сопротивление вручную, поворачивая ручку управления.

Благодаря этому свойству, варисторы широко и эффективно применяют для защиты электрических сетей, машин и оборудования, а также радиоэлектронных компонентов, плат и микросхем вне зависимости от вида напряжения. Они имеют невысокую цену изготовления, надежны в использовании и способны выдерживать высокие нагрузки.

Варисторы применяются, как в высоковольтных установках до 20 кВ, так и в низковольтных от 3 до 200 В в качестве ограничителя напряжения. При этом они могут работать, как в сетях с переменным, так и с постоянным током. Их используют для регулировки и стабилизации тока и напряжения, а также в защитных устройствах от перенапряжения. Используются в конструкции сетевых фильтров, блоков питания, мобильных телефонов, УЗИП и других ОИН.

Маркировка, основные характеристики и параметры

Каждый производитель варисторов маркирует свой продукт определенным образом, поэтому существует достаточно большое количество вариантов обозначений и их расшифровок. Наиболее распространенным российским варистором является К275, а популярными компонентами иностранного производства являются 7n471k, kl472m и другие.

Расшифровать обозначение варистора CNR-10d751k можно следующим образом: CNR – металлооксидный варистор; d – означает, что компонент в форме диска; 10 – это диаметр диска; 751 –напряжение срабатывания для данного устройства (расчёт происходит путём умножения первых двух цифр на 10 в степени равной третьей цифре, то есть 75 умножаем на 10 в первой степени получатся 750 В); k – допустимое отклонение номинального напряжения, которое равно 10 % в любую сторону (l – 15%, M – 20%, P – 25 %).

Основными характеристиками варисторов являются следующие параметры:

Классификационное напряжение – напряжение при определенных значениях тока, протекающего через варистор (обычно данное значение составляет 1 мА). Этот параметр является условным и не влияет на выбор устройства;

Максимально допустимое напряжение – диапазон напряжения (среднеквадратичное или действующее значение), при котором варистор начинает понижать свое сопротивление;

Максимальная энергия поглощения – характеристика, показывающая значение энергии, которую варистор рассеивает и не выходит из строя при воздействии одиночного импульса (измеряется в Джоулях);

Максимальный импульсный ток – нормирует время нарастания и длительность действия импульса тока (измеряется в Амперах);

Ёмкость – очень важный параметр, который измеряется при закрытом состоянии и заданной частоте (падает до нуля, если к варистору приложен большой ток);

Допустимое отклонение – отклонение от номинальной разности потенциалов в обе стороны (указывается в процентах).

Время срабатывания – промежуток времени, за который варистор переходит из закрытого состояния в открытое (обычно несколько десятков наносекунд).

Варистор и требования к нему

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.

Требования к эксплуатационным характеристикам современных варисторов постоянно растут и меняются. Реализация этих требований может быть осуществлена минимум двумя способами:

1. созданием новых керамических материалов;
2. совершенствованием технологии имеющихся материалов.

Реализация первого направления предполагает выполнение комплекса теоретических, экспериментальных и технологических работ, требующих больших затрат трудовых и материальных ресурсов. Результаты реализации второго способа – это возможность существенно сократить сроки разработки материалов и понизить стоимость их разработки.

Виды и принцип работы

При работе в нормальных условиях варистор имеет огромное сопротивление, которое может снижаться при превышении напряжением порогового значения.  То есть, если значительно повышается напряжение в цепи, то варистор переходит из изолирующего состояния в электропроводящее и за счет лавинного эффекта в полупроводнике стабилизирует напряжение с помощью пропускания через себя тока большой величины.

Варисторы могут работать с высоким и низким напряжением и, соответственно, подразделяются на две группы устройств, которые имеют одинаковый принцип работы:

1. Высоковольтные: способные работать в цепях со значениями тока до 20 кВ (используются в защитных системах сетей и оборудования, в устройства защиты от импульсных перенапряжений).
2. Низковольтные: номинальное напряжения для компонентов данного вида варьируется от 3 до 200 В (применяется для защиты электронных устройств и компонентов оборудования с током 0,1 – 1А и устанавливаются на входе или выходе источника питания).

Время срабатывания варистора при скачке напряжения составляет около 25 нс, что является отличным значением, но в некоторых случая недостаточным. Поэтому производители электронных компонентов разработали технологию изготовления smd-резистора, который имеет время срабатывания от 0,5 нс.

Варисторы всех типов изготавливают из карбида кремния или оксида цинка путем спекания данного материала со связующим веществом (смолы, глина, стекло) при высокой температуре. После получения полупроводникового элемента выполняется его металлизация с обеих сторон с припайкой металлических выводов для подключения.

Исследования в области оксидно-цинковой керамики и новые формы варисторов

В течение длительного срока сотрудники ЗАО «Завод энергозащитных устройств» разрабатывают теоретическую основу и проводят экспериментальные исследования по оптимизации формообразования изделий из мелкодисперсного порошка, как одного из важнейших этапов процесса изготовления оксидно-цинковой керамики.

Базой этих исследований служит совместное воздействие на порошок статического механического и ультразвукового поля по предложенным конструктивно-технологическим схемам. Воплотив схемы в реальность, на ЗАО «ЗЭУ» были произведены ОЦВ повышенной плотности и малой пористости при пониженных статических давлениях.

Маркировка варисторов

Существует разная маркировка варисторов. Она зависит от производителя. 

Разные производители по разному маркируют варисторы. Например, производитель EPCOS для изделий своего производства дает действующее напряжение переменного тока, следовательно нужно выбирать прибор на 250-270 В. Некоторые производители обозначают как маркировку не действующее напряжение, а так называемое классификационное напряжение – это начало точки перегиба, когда ток достигает величины 1мА – и их стоит подбирать по амплитудному значению, т.е. 330-350 В для отечественно электросети.

Обозначение на схеме и варианты подключения варистора

На схемах варистор обычно обозначается, как обычный резистор, но с добавлением буквы U рядом с наклонной чертой. Эта черта и указывает в схемах на то, что данный элемент имеет зависимость сопротивления от напряжения в цепи.

Существует большое количество вариантов подключения варисторов, но общее для всех способов – это то, что данный компонент подключается параллельно цепи питания. Поэтому при отсутствии опасных значений импульсов напряжения, ток, который протекает через варистор имеет малую величину (ввиду больших значений сопротивления) и никак не влияет на работоспособность системы.

Подбор варистора

Чтобы правильно подобрать варистор для определенного устройства необходимо знать характеристики его источника питания: сопротивление и мощность импульсов переходных процессов. Максимально допустимое значение тока определяется в том числе длительностью его воздействия и количеством повторений, поэтому при установке варистора с заниженным значением пикового тока, он достаточно быстро выйдет из строя.

Также для безотказной работы такого электронного компонента очень важна скорость рассеивания поглощенной тепловой энергии и возможность быстро возвращаться в состояние нормальной работы.

Преимущества и недостатки варисторов

Важными преимуществами нелинейного резистора (варистора) является его стабильная и надежная работа с высокими частотами и большими нагрузками. Он применяется во многих устройствах, работающих с напряжениями от 3 В до 20 кВ, относительно прост и дешёв в производстве и эффективен в эксплуатации. Дополнительными важными преимуществами являются:

• высокая скорость срабатывания (наносекунды);
• длительный срок службы;
• возможность отслеживания перепадов напряжения (безынерционный метод).

Несмотря на то, что данный электронный компонент имеет достаточно много преимуществ, он имеет и недостатки, которые влияют на его применение в различных системах. К ним можно отнести:

• низкочастотный шум при работе;
• старение компонента (утрата параметров со временем);
• большая емкость: зависит от напряжения и типа элемента, находится в диапазоне от 70 до 3200 пФ и влияет на работоспособность устройства;
• при максимальных значениях напряжения мощность не рассеивается – значительно перегревается и выходит из строя при длительных максимальных значениях напряжения.

Проверка варистора – осмотр, омметр и мультиметр

При срабатывании данного полупроводникового прибора происходит значительное выделение тепла и варистор может сгореть. Это происходит при большом значении пикового напряжения, при его длительной подаче либо при сочетании обоих факторов.

Способов проверки варистора на дальнейшую работоспособность существует несколько:

• Внешний осмотр. Его не стоит отвергать, так как многие современные схемы плотно упакованы, и нарушение целостности внешней оболочки прибора легко не заметить. Любые трещины, вспучивания или потемнения на корпусе варистора сигнализируют о его выходе из строя.
• Прозвон с помощью мультиметра. Достоверно проверить варистор на исправность мультиметром прямо на плате невозможно — придется выпаивать как минимум один контакт. Важно провести измерение в обоих направлениях, поменяв щупы местами друг с другом. Селектор режимов мультиметра необходимо установить на ячейку «проверка диодов», обычно рядом с ней нарисован символ диода и значок акустической индикации. Целый варистор не прозванивается ввиду своего значительного сопротивления.
• Измерение омметром либо мегаомметром. Следует установить омметр на максимальное значение, в большинстве бытовых приборов таковым является 2 МегаОма. На шкале они могут быт обозначены как 2000К или 2M. В теории измеренное сопротивление должно быть бесконечным, на практике омметр может показать значение сопротивления исправного варистора в 1,5…2 МегаОма. Если прозванивать варистор мегаомметром, важно установить правильное значение напряжения на его выводах. В мощных измерительных приборах оно может быть выше, чем пороговое напряжение открытия варистора. Проще говоря, полупроводниковый предохранитель можно сжечь в процессе проверки.

На практике использование мультиметра для диагностики исправности варисторов встречается не столь часто, так как в большинстве случаев достаточно внешнего осмотра. При замене сгоревшего предохранителя следует обратить внимание на технические характеристики его предшественника, иначе новый варистор выйдет из строя значительно быстрее либо не выполнит свою шунтирующую функцию и допустит повреждение целого электронного блока.

Рабочий режим варистора и его расчет

С одной стороны, рабочий ток должен оставаться минимальным, чтобы варистор не перегревался. А с другой стороны, уменьшение рабочего тока приводит к увеличению напряжения в варисторе – значит, элемент перестает выполнять свою главную функцию – защиту от перенапряжения.

При расчетах желательно, чтобы постоянное рабочее напряжение не поднималось выше 0,85 Uкл, а также не превышало 0,6 Uкл на переменном токе. На практике же, к сожалению, такой подход мало применим.

В сопроводительных документах на варисторы типа СН2 указано, что постоянный или переменный ток не должен превышать значение 0,1mA.

Но значение тепловой мощи при прохождении через них постоянного тока будет больше, чем при прохождении тока той же амплитуды, но переменного. На рисунке ниже представлена синусодиальная форма варистора:

Типы варисторов и их параметры

Характеристики варистора

Тело варистора представляет собой изотропную гранулярную структуру оксида цинка ZnO (рисунок 1). Гранулы отделены друг от друга, и их граница разделения имеет ВАХ, схожую с p-n-переходом в полупроводниках. Эти границы при низких напряжениях имеют очень низкую проводимость, которая нелинейно увеличивается с увеличением напряжения на варисторе.

Симметричная ВАХ показана на рисунке 2. Благодаря ей варистор отлично справляется с подавлением скачков напряжения. Когда они появляются в цепи, сопротивление варистора уменьшается во множество раз: от почти непроводящего состояния до высокопроводящего, уменьшая импульс напряжения до безопасного для цепи значения.

В местах соприкосновения микрогранул варистора возникает эффект проводимости. Так как количество гранул в объеме варистора очень велико, абсорбируемая варистором энергия значительно превышает энергию, которая может пройти через единичный p-n переход в диодах Зенера.

В процессе прохождения тока через варистор весь проходящий заряд равномерно распределяется по всему объему. Таким образом, количество энергии, которую может абсорбировать варистор, напрямую зависит от его объема. Величина рабочего напряжения варистора и максимального тока зависят от расстояния между электродами, между которыми находятся гранулы оксида цинка.

Однако есть множество других технологических моментов, которые обуславливают эти электрические параметры: технология гранулирования и спекания, влияющая на размер гранул и их площадь соприкосновения, присоединение металлических выводов, покрытие варистора, легирующие добавки.

Например, диапазон рабочих температур дисковых варисторов зависит от типа покрытия диска: у варисторов с эпоксидным покрытием диапазон -55…85°С, у фенолового покрытия, встречающегося у варисторов Littelfuse серии C-III, этот диапазон расширен до 125°С. Также расширенный диапазон рабочих температур имеет большинство серий варисторов для поверхностного монтажа.

Рассмотрим подробнее принцип работы варистора.

В его корпусе между металлическими контактами находятся гранулы со средним размером d (рисунок 3).

Токопроводящие гранулы оксида цинка со средним размером гранулы d разделены между собой межгранулярными границами.

При разработке варистора для заданного номинального напряжения Vn основным параметром является количество гранул n, заключенных между контактами, что, в свою очередь, влияет на размер варистора. На практике его материал характеризуется градиентом напряжения В/мм, измеренном в коллинеарном направлении с нормалью к плоскости варистора.

Фундаментальным свойством ZnO-варистора является его практически постоянное падение напряжения на границах гранул во всем объеме. Наблюдения показывают, что вне зависимости от вида варистора, падение напряжения на границе соприкосновения гранул всегда составляет 2…3 В.

Падение напряжения на границах гранул не зависит и от размера самих гранул. Таким образом, если опустить разные способы производства и легирования оксида цинка, то напряжение варистора будет зависеть от его толщины и размера гранул. Эта зависимость может быть легко выражена в следующем виде (формула 1):

где d – средний размер гранулы.

Учитывая

получаем данные, представленные в таблице 1.

Таблица 1. Зависимость структурных параметров варистора от напряжения

Напряжение варистора Vn – это напряжение на вольт-амперной характеристике, где происходит переход из слабопроводящего состояния на линейном участке графика в нелинейный режим высокопроводящего состояния. По общей договоренности для стандартизации измерений был выбран ток 1 мА.

Несмотря на то, что варисторы могут за несколько микросекунд абсорбировать большое количество энергии, они не могут продолжительно находиться в проводящем состоянии. Поэтому в некоторых случаях, когда, например, напряжение в сети на продолжительное время увеличивается до уровня срабатывания, варистор начинается сильно греться.

Проведем сравнительный анализ наиболее популярных варисторов производства компаний Littelfuse, Epcos и Fenghua с рабочим напряжением 250 и 275 В (АС rms) и диаметром диска 10, 14 и 20 мм.

Как видно из таблицы 2, рассеиваемая варистором энергия зависит не только от его размеров, но и от технологии производства и материалов, которые использованы для выпуска серии. Заметим, что серия индустриального класса С-III производства компании Littelfuse вышла на первое место, серия UltraMOV тоже показала очень высокие характеристики, оказавшись на уровне конкурентов – серии Advanced производства Epcos.

Также можно отметить, что варисторы C-III при меньшем габарите (D = 14 мм) имеют большую энергию рассеивания, чем стандартные серии конкурентов, имеющие большие размеры (D = 20 мм), а разница в рассеиваемой энергии между качественными варисторами в корпусе D = 20 мм и стандартными варисторами в корпусе D = 10 мм может отличаться на порядок.

Таблица 2. Сравнительный анализ наиболее популярных варисторов производства компаний Littelfuse, Epcos и Fenghua

Обзор варисторов производства компании Littelfuse c разбивкой на серии и области применения представлен в таблице 3.

Таблица 3. Области применения варисторов Littelfuse