Кіріспе
Электрондық компонент
Варистор (әлде кернеуге тәуелді резистор (VDR) деп те аталады) – қолданылатын кернеуге байланысты электрлік кедергісі өзгеретін, кернеуден қорғайтын электрондық компонент. Оның диодқа ұқсас, сызықтық емес, оммалық емес ток-кернеу сипаттамасы бар. Дегенмен, диодтан айырмашылығы, ток бағытының екі жағында да бірдей сипаттамаға ие. Дәстүрлі түрде варисторлар екі түзеткішті, мыс оксиді немесе германий оксиді түзеткіштерін антипараллель конфигурацияда қосу арқылы жасалған. Төмен кернеуде варистордың электрлік кедергісі жоғары, кернеу көтерілгенде төмендейді. Қазіргі заманғы варисторлар негізінен микроскопиялық деңгейде ғана бағытталған мінез-құлық көрсететін, ысталған керамикалық металл оксидтері материалдарына негізделген. Бұл тип көбінесе металл оксидтік варистор (MOV) деп аталады. Варисторлар тізбектерде оптималды жұмыс жағдайларын қамтамасыз ету немесе артық уақытша кернеулерден қорғау үшін басқару немесе компенсациялау элементтері ретінде қолданылады. Қорғау құрылғылары ретінде пайдаланғанда, олар қосылған кезде сезімтал компоненттерден артық кернеу тудырған токты аударып жібереді. Варистор атауы – «өзгергіш резистор» деген мағынаны білдіреді. Бұл термин тек оммалық емес, өзгергіш резисторлар үшін қолданылады. Потенциометр және реостат сияқты өзгергіш резисторлардың оммалық сипаттамалары бар.
Металл оксидті варистордың құрамы, қасиеттері және жұмыс істеуі
Қазіргі заманғы варисторлардың ең көп таралған түрі – металл оксид варисторы (MOV). Бұл типте цинк оксидінен (ZnO) тұратын керамикалық масса болады, ол басқа металл оксидтерінің матрицасында, мысалы, висмут, кобальт, марганец оксидтерінің шағын мөлшерінде, құрылғының электродтарын құрайтын екі металл пластинаның арасында орналасқан. Әрбір түйіршік пен оның көршісі арасындағы шекара диодтық қосылысқа айналады, бұл токқа тек бір бағытта өтуге мүмкіндік береді. Кездейсоқ бағытталған түйіршіктердің жиынтығы электрлік тұрғыдан көптеген жұптармен параллель қосылған, бір-біріне қарама-қарсы диодтық жұптар желісімен теңдес келеді. Электродтарға шағын кернеу қолданғанда, диодтық қосылыстар арқылы кері ағынға байланысты өте аз ток өтеді. Кернеу жоғары болғанда, диодтық қосылыс термиондық эмиссия мен электрондық туннельдеудің үйлесімінен бұзылады, нәтижесінде үлкен ток ағыны пайда болады. Бұл қасиеттің нәтижесінде MOV кернеуге қарай өзгеретін, сызықты емес ток-кернеу сипаттамасына ие болады: төмен кернеуде жоғары кедергі, ал жоғары кернеуде төмен кедергі көрсетеді.
Электрлік сипаттамалары
Варистор қалыпты жұмыс кезінде, егер оның үстіндегі кернеу "шектеу кернеуінен" төмен болса, шунт режиміндегі құрылғы ретінде өткізгіштіксіз болады, сондықтан варисторлар желілік кернеудің кенеттен өсуін басу үшін қолданылады. Варисторлар екі себеппен бұзылуы мүмкін. Катастрофалық ақаулық – бұл найзағай соққысы сияқты жағдайдан туындаған өте күшті импульсты сәтті шектемеуден болады, онда энергияның мөлшері варистордың қабылдай алатынынан әлдеқайда артық. Соққыдан туындаған ток варисторды балқытып, күйдіріп немесе тіпті булануына әкелуі мүмкін. Бұл жылулық қашу жеке дәншелердің шекаралық қосылыстарындағы сәйкессіздіктен туындайды, бұл жылулық стресс кезінде басым ток жолдарының бұзылуына әкеледі, егер өткінші импульстағы энергия (әдетте джоульмен өлшенеді) тым жоғары болса (яғни өндірушінің "Ең жоғары шекті көрсеткіштерінен" едәуір асып түседі). Катастрофалық ақаулықтың ықтималдығын рейтингті арттыру арқылы немесе арнайы таңдалған MOV-терді параллель қосылымда қолдану арқылы азайтуға болады. Күмулятивті деградация көбірек импульстардың пайда болуымен жүреді. Тарихи себептерге байланысты көптеген MOV-тер дұрыс емес сипатталған, бұл жиі кездесетін кернеудің өсуіне де сыйымдылықты нашарлауға мүмкіндік берді. Мұндай жағдайда варистор сырттан қарағанда зақымдалмаған сияқты көрінеді және жұмыс істейтіндей болады (катастрофалық ақаулық жоқ), бірақ ол енді қорғаныс қызметін атқармайды. Соңында, энергияның шығарылуы оксидтер арқылы токты өткізетін арна жасағандықтан, ол қысқа тұйықталуға ұшырайды. Варистордың қызмет ету мерзіміне әсер ететін негізгі параметр – оның энергия (Джоуль) рейтингі. Энергиялық рейтингті арттыру, оның қабылдай алатын (белгіленген максималды өлшемдегі) өткінші импульстардың санын, сондай-ақ кішігірім импульстарды шектеуден алынатын энергияның жиынтық сомасын экспоненциалды түрде арттырады. Бұл импульстар пайда болғанда, әрбір жағдайда қамтамасыз ететін "шектеу кернеуі" төмендейді, ал варистордың "шектеу кернеуі" 10%-ға өзгерген кезде функционалдық тұрғыдан нашарлаған деп есептеледі. Өндірушінің қызмет ету мерзіміне қатысты кестелері ток, күштілік және өткінші құбылыстардың санын бөліктің қызмет ету мерзімінде таратылған жалпы энергияға негізделген ақаулықтарды болжау үшін байланыстырады. Тұтынушы электроникасында, әсіресе токтан қорғайтын құрылғыларда қолданылатын MOV варисторының мөлшері соншалықты кішкентай, ақаулықтар күтіледі. Электр қуатын беру сияқты басқа қолданымдарда ұзақ қызмет ету мерзімі үшін жасалған әртүрлі конструкциядағы VDR-лер бірнеше конфигурацияда қолданылады.
Күштік кернеу
MOV-тер зақымданбастан шыдай алатын кернеу диапазоны бойынша сипатталады. Басқа маңызды параметрлер – варистордың энергия рейтингі (джоульмен өлшенетін), жұмыс кернеуі, реакция уақыты, максималды ток және түсірілу (шектеу) кернеуі. Энергия рейтингі көбінесе 8/20 микросекунд немесе 10/1000 микросекунд сияқты стандартталған импульстар арқылы анықталады, онда 8 микросекунд импульстың бастапқы уақыты, ал 20 микросекунд – жартылай мәнге дейінгі уақыты болып табылады.
Қуаттылығы
Тұтынушыға арналған (7–20 мм диаметрлі) варисторлардың типтік сыйымдылығы 100–2500 пФ аралығында болады. Микроэлектрониканы қорғауға арналған, мысалы ұялы телефондарда қолданылатын, кішірек және төмен сыйымдылықты варисторлар ~1 пФ сыйымдылықпен де қолжетімді. Алайда, олардың шағын басылымды платаға (PCB) орнатылу өлшеміне байланысты үлкен импульстік тоқтарға төтеп беруге шамалары жетпейді.
Жауап беру уақыты
MOV-тің реакция уақыты стандартталмаған. Наносекундтық MOV реакциясы туралы мәлімдеме материалдың ішкі реакция уақытына негізделген, бірақ компонент қосылымдарының индуктивтілігі және орнату әдісі сияқты басқа факторлар оны баяулатуы мүмкін. Бұл реакция уақыты 8 мкс көтерілу уақыты бар импульстік токпен салыстырғанда маңызсыз деп есептеледі, бұл құрылғының бірте-бірте іске қосылуына жеткілікті уақыт береді. Егер импульстік ток өте жылдам, <1 нс көтерілу уақытына ие болса, MOV-тің реакция уақыты 40–60 нс диапазонында болады.
Қолданбалар
Көбінесе күштік қысылғаннан қорғайтын қуат таспасы MOV-терді пайдаланып жасалады. Төмен бағалы үлгілерде тек бір варистор қолданылуы мүмкін, ол "фазалық" (тірі, белсенді) сымнан "нейтраль" сымына дейін. Сапалырақ қорғағыш құрылғыда кемінде үш варистор болады; әрқайсысы үш сым жұбының арасында. Кейбір стандарттар үш варистор схемасын міндеттейді, осылайша MOV-дың күрт бұзылуы өрт қаупін тудырмайды.
Қауіптер
MOV өте қысқа уақытқа (8-20 микросекундқа) елеулі қуатты өткізеді, мысалы, молния шарпуы салдарынан, бірақ ол тұрақты энергияны өткізе алмайды. Қалыпты электр кернеуі жағдайында бұл мәселе туғызбайды. Дегенмен, электр желісіндегі кейбір ақаулар тұрақты кернеудің артуына әкелуі мүмкін. Мысалға, бейтарап өткізгіштің жоғалуы немесе жоғары кернеу жүйесіндегі желілердің қысқа тұйықталуы жатады. MOV-қа тұрақты артық кернеуді қолдану жоғары қуатты ысырапқа салуға (диссипацияға) себеп болады, нәтижесінде MOV құрылғысы өртенуі мүмкін. Ұлттық өрттен қорғау қауымдастығы (NFPA) толқынды басу құрылғыларында (surge suppressors) MOV құрылғыларынан туындаған апатты өрттердің көптеген жағдайларын тіркеді және осы мәселе бойынша хабарламалар жариялады. Сериялы қосылған жылу сақтандырғышы (thermal fuse) – MOV-тің апаттық бұзылуына бір шешім. Ішкі жылудан қорғалған варисторлар да қолжетімді. MOV-ті пайдаланатын өткінші кернеуді басу құрылғыларының (TVSS) артық кернеу жағдайындағы мінез-құлқына қатысты бірнеше мәселені атап өту қажет. Өткізілген ток деңгейіне байланысты, таратылған жылу құрылғының бұзылуына жеткіліксіз болуы мүмкін, бірақ ол MOV құрылғысын нашарлатып, оның қызмет ету мерзімін қысқартуы мүмкін. Егер MOV арқылы шамадан тыс ток өткізілсе, ол ашық тізбек күйінде апатты түрде бұзылуы мүмкін, жүктемені қосып қана қоймай, енді ешқандай қорғаныссыз қалдырады. Пайдаланушы толқынды басу құрылғысының бұзылғанын білмей қалуы мүмкін. Артық кернеу және желілік кедергілердің дұрыс жағдайында MOV-тің жалындануына себеп болуы мүмкін, бұл көптеген өрттердің түпкі себебі және NFPA-ның 1986 жылы UL1449 стандартын және 1998 және 2009 жылдардағы оған енгізілген өзгерістердің басты себебі. Дұрыс жобаланған TVSS құрылғылары апатты түрде бұзылуға ұшырамауы керек, керісінше, жылу сақтандырғышының ашылуына немесе MOV құрылғыларын ғана ажыратуға мүмкіндік беретін басқа да теңдестірілген нәрсеге әкелуі керек.
Шектеулер
Өткінші кернеудің жоғарылатуын басушы (TVSS) ішіндегі MOV электр жабдықтарын толық қорғамайды. Атап айтқанда, ол жабдыққа және қорғау құрылғысына зақым келтіруі мүмкін, ұзаққа созылатын кернеудің артуынан қорғамайды. Басқа тұрақты және зиянды кернеулер төмен болуы мүмкін, сондықтан MOV құрылғысы оларды байқамай қалуы мүмкін. Варистор жабдықты іске қосылғандағы тоқ ағынынан, қысқа тұйықталудан туындаған тоқ ағынынан немесе кернеудің төмендеуінен (қуаттың үзілуінен) қорғай алмайды; ол мұндай жағдайларды сезінбейді де, оларға әсер етпейді де. Электрондық жабдықтың осы және басқа электр қуатының бұзылуына осалдығы жүйе дизайнының басқа аспектілерімен анықталады, жабдықтың өзінде немесе сыртқы құрылғылар арқылы, мысалы, UPS, кернеуді реттегіш немесе кіріктірілген кернеуден қорғаумен жабдықталған қуаттан қорғағыш (әдетте кернеуді сезімталдайтын тізбек пен кернеу қауіпті деңгейге жеткенде айнымалы токты ажыратуға арналған реледен тұрады) арқылы анықталады.
Басқа өтпелі қысымшылармен салыстыру
Кернеудің шыңдарын басудың тағы бір әдісі – өткінші кернеуді басу диоды (TVS). Диодтар үлкен толқындарды өткізе алатын MOV сияқты үлкен сыйымдылыққа ие болмаса да, диодтар кішкентай толқындардан зақымданбайды және төменгі "шектеу кернеуімен" (clamping voltage) іске асырылуы мүмкін. MOV-тер қайталап келетін толқындарға ұшырағанда нашарлайды және әдетте жоғары "шектеу кернеуіне" ие, сондықтан ток ағып кету MOV-тің бұзылуына себеп болмайды. Екі түрі де кернеудің кең диапазонында қолжетімді. MOV-тер жоғары кернеулерге көбірек сәйкес келеді, себебі олар жоғары энергияны аз шығынмен өткізе алады. Тағы бір өткінші қысымды басу құралы – газ түтіктік басушы. Бұл – ауа немесе инертті газ қоспасын, сондай-ақ көбінесе Ni 63 сияқты аздаған радиоактивті материалды пайдаланатын, тотығу кернеуін тұрақтырақ ету және жауап беру уақытын қысқарту үшін қолданылатын ұшқыш тізбек түрі. Өкінішке орай, бұл құрылғылар варисторларға қарағанда жоғары тотығу кернеуіне және ұзақ жауап беру уақытына ие болуы мүмкін. Дегенмен, олар айтарлықтай жоғары ақаулық тогын қабылдай алады және көптеген жоғары кернеулік соққыларға (мысалы, найзағайдан) елеулі зақым келмей төтеп бере алады.
Көп қабатты варистор
Көп қабатты варистор (MLV) құрылғылары 0–120 вольт тұрақты тоқпен жұмыс істейтін сезімтал жабдықтағы электронды тізбектерді төмен және орташа энергиялы өтпелі құбылыстардан электростаттық разрядтан қорғайды. Олардың жоғары ток деңгейі шамамен 20-ден 500 амперге дейін, ал жоғары энергия деңгейі 0,05-тен 2,5 джоульге дейін жетеді.