Введение

Варистор (также известный как резистор, зависимый от напряжения (VDR)) – это электронный компонент, предназначенный для защиты от импульсных перенапряжений, с электрическим сопротивлением, изменяющимся в зависимости от приложенного напряжения. Он обладает нелинейной вольт-амперной характеристикой, схожей с характеристикой диода. Однако, в отличие от диода, он имеет одинаковую характеристику для обоих направлений тока. Традиционно варисторы изготавливались путем соединения двух выпрямителей, например, оксидного медного или германиевого выпрямителя, в антипараллельной схеме. При низком напряжении варистор имеет высокое электрическое сопротивление, которое уменьшается с увеличением напряжения. Современные варисторы в основном изготавливаются из спеченных керамических материалов на основе оксидов металлов, демонстрирующих направленное поведение только в микроскопическом масштабе. Этот тип обычно известен как металлооксидный варистор (MOV). Варисторы используются в схемах в качестве управляющих или компенсирующих элементов для обеспечения оптимальных рабочих условий или для защиты от избыточных переходных напряжений. При использовании в качестве защитных устройств они отводят ток, возникающий при превышении напряжения, от чувствительных компонентов при срабатывании. Название "варистор" является комбинацией слов "варирующийся" и "резистор". Этот термин применяется только к неомическим переменным резисторам. Переменные резисторы, такие как потенциометр и реостат, обладают омическими характеристиками.

Состав, свойства и действие оксидометаллического варистора

Наиболее распространенным современным типом варистора является металлооксидный варистор (MOV). Этот тип состоит из керамической массы зерен оксида цинка (ZnO) в матрице других оксидов металлов, таких как небольшие количества оксидов висмута, кобальта и марганца, расположенных между двумя металлическими пластинами, которые служат электродами устройства. Граница между каждым зерном и соседним зерном формирует диодный переход, позволяющий току течь только в одном направлении. Совокупность случайно ориентированных зерен электрически эквивалентна сети диодных пар, включенных встречно-параллельно и соединенных с множеством других пар. При приложении небольшого напряжения к электродам протекает лишь незначительный ток, обусловленный обратным током утечки через диодные переходы. При приложении большого напряжения диодный переход пробивается из-за комбинации термоэлектронной эмиссии и квантового туннелирования, что приводит к резкому увеличению тока. Результатом такого поведения является нелинейная вольт-амперная характеристика, при которой MOV обладает высоким сопротивлением при низких напряжениях и низким сопротивлением при высоких напряжениях.

Электрические характеристики

Варистор остается непроводящим в качестве шунтирующего устройства при нормальной работе, пока напряжение на нем значительно ниже его "напряжения ограничения". Поэтому варисторы обычно используются для подавления импульсных перенапряжений в сети. Варисторы могут выйти из строя по двум причинам. Катастрофический отказ происходит из-за неспособности ограничить очень мощный импульс, например, при ударе молнии, когда энергия значительно превышает допустимую для варистора. Ток, следующий после удара, может расплавить, сжечь или даже испарить варистор. Этот тепловой разгон обусловлен неоднородностью межзерновых переходов, что приводит к разрушению основных путей тока при термическом напряжении, когда энергия в переходном импульсе (обычно измеряемая в джоулях) слишком велика (то есть значительно превышает "абсолютные максимальные характеристики" производителя). Вероятность катастрофического отказа можно снизить, увеличив номинальную мощность или используя специально подобранные МОВы, подключенные параллельно. Кумулятивная деградация происходит по мере увеличения числа импульсов. По историческим причинам многие МОВы были неправильно специфицированы, что допускало частые колебания напряжения и приводило к снижению их емкости. В этом состоянии варистор не имеет видимых повреждений и внешне кажется работоспособным (без катастрофического отказа), но больше не обеспечивает защиту. В конечном итоге он переходит в состояние короткого замыкания, поскольку энергетические разряды создают проводящий канал через оксиды. Основным параметром, влияющим на срок службы варистора, является его энергетический рейтинг (в джоулях). Увеличение энергетического рейтинга экспоненциально увеличивает количество (определенного максимального размера) переходных импульсов, которые он может выдержать, а также кумулятивную сумму энергии от ограничения менее мощных импульсов. По мере поступления этих импульсов "напряжение ограничения", которое он обеспечивает при каждом событии, уменьшается, и варистор считается функционально деградировавшим, когда его "напряжение ограничения" изменилось на 10%. Графики срока службы, предоставляемые производителем, связывают ток, величину и количество переходных процессов для прогнозирования отказов на основе общей энергии, рассеянной за время службы компонента. В бытовой электронике, особенно в сетевых фильтрах, размер используемого МОV-варистора достаточно мал, чтобы в конечном итоге можно было ожидать его выход из строя. В других областях применения, таких как передача электроэнергии, используются VDR различной конструкции в нескольких конфигурациях, предназначенных для длительного срока службы.

Оценочная напряженность

MOV характеризуются диапазоном напряжений, который они способны выдерживать без повреждений. Другими важными параметрами являются энергетический рейтинг варистора в джоулях, рабочее напряжение, время отклика, максимальный ток и напряжение пробоя (ограничения). Энергетический рейтинг часто определяется с использованием стандартизированных импульсов, таких как 8/20 микросекунд или 10/1000 микросекунд, где 8 микросекунд – это время нарастания импульса, а 20 микросекунд – время до полуамплитуды.

Пропускная способность

Типичная емкость варисторов потребительского размера (диаметром 7–20 мм) составляет от 100 до 2500 пФ. Доступны варисторы меньшего размера и с меньшей емкостью, около 1 пФ, для защиты микроэлектроники, например, в сотовых телефонах. Однако эти варисторы с низкой емкостью не способны выдерживать большие импульсные токи из-за их компактных размеров при монтаже на печатную плату.

Время ответа

Время отклика варистора не стандартизовано. Утверждение о субнаносекундном времени отклика варистора основано на собственном времени отклика материала, однако оно замедляется другими факторами, такими как индуктивность выводов компонента и способ монтажа. Это время отклика также считается незначительным по сравнению с переходным процессом с фронтом 8 мкс, что обеспечивает достаточно времени для плавного включения устройства. При воздействии очень быстрого переходного процесса с фронтом менее 1 нс, время отклика варистора составляет от 40 до 60 нс.

Приложения

Типичная сетевая защита от скачков напряжения построена на основе МОВ (варисторов). В недорогих моделях может использоваться только один варистор, подключенный между фазным (линейным) и нейтральным проводниками. Более качественная защита содержит как минимум три варистора – по одному на каждую из трех пар проводников. Некоторые стандарты предписывают использование схемы с тремя варисторами, чтобы предотвратить возникновение пожара в случае катастрофического выхода из строя МОВ.

Опасности

Хотя MOV предназначен для проведения значительной мощности в течение очень коротких промежутков времени (около 8–20 микросекунд), например, при ударе молнии, он обычно не способен проводить устойчивую энергию. При нормальных условиях напряжения сети это не является проблемой. Однако определенные типы неисправностей в электросети могут приводить к продолжительному перенапряжению. Примеры включают потерю нейтрального проводника или короткое замыкание в высоковольтной системе. Воздействие продолжительного перенапряжения на MOV может вызвать сильный нагрев и, как следствие, возгорание устройства. Национальная ассоциация противопожарной защиты (NFPA) задокументировала множество случаев катастрофических пожаров, вызванных устройствами MOV в устройствах защиты от импульсных перенапряжений, и опубликовала информационные бюллетени по этому вопросу. Последовательно подключенный тепловой предохранитель является одним из решений для предотвращения катастрофического выхода из строя MOV. Также доступны варисторы со встроенной тепловой защитой. Существует несколько важных моментов, касающихся поведения устройств защиты от импульсных перенапряжений (TVSS), содержащих MOV, при перенапряжении. В зависимости от величины протекающего тока, выделяемого тепла может быть недостаточно для выхода из строя, но это может привести к деградации MOV и сокращению срока его службы. Если через MOV протекает чрезмерный ток, он может выйти из строя с разрывом цепи, оставив нагрузку подключенной, но без какой-либо защиты от перенапряжений. Пользователь может не получить никаких признаков отказа устройства защиты от перенапряжений. При определенных условиях перенапряжения и сопротивления линии возможно воспламенение MOV, которое является первопричиной многих пожаров и основной причиной обеспокоенности NFPA, что привело к разработке стандарта UL1449 в 1986 году и последующим его пересмотрам в 1998 и 2009 годах. Правильно спроектированные устройства TVSS не должны выходить из строя катастрофически, а должны приводить к срабатыванию теплового предохранителя или аналогичного устройства, которое отключает только устройства MOV.

Ограничения

MOV внутри устройства защиты от импульсных перенапряжений (TVSS) не обеспечивает полной защиты электрооборудования. В частности, он не защищает от длительных перенапряжений, которые могут привести к повреждению как самого оборудования, так и устройства защиты. Другие длительные и опасные перенапряжения могут быть незначительными и, следовательно, игнорироваться устройством MOV. Варистор не обеспечивает защиту оборудования от импульсов тока при включении (во время запуска оборудования), от перегрузки по току (возникающей при коротком замыкании) или от провалов напряжения (понижений напряжения); он не обнаруживает и не реагирует на подобные события. Устойчивость электронного оборудования к другим возмущениям в электропитании определяется другими аспектами конструкции системы, либо внутри самого оборудования, либо внешними средствами, такими как ИБП, стабилизатор напряжения или сетевой фильтр с встроенной защитой от перенапряжений (который обычно состоит из схемы контроля напряжения и реле для отключения входного напряжения переменного тока при достижении опасного уровня).

Сравнение с другими преходящими подавляющими веществами

Другим методом подавления пиков напряжения является транзиентный диод подавления напряжения (TVS). Хотя диоды не обладают такой же способностью проводить большие импульсы тока, как MOV, диоды не подвергаются деградации от небольших импульсов и могут быть реализованы с более низким "напряжением ограничения". MOV деградируют при повторном воздействии импульсов и, как правило, имеют более высокое "напряжение ограничения", чтобы избежать ухудшения характеристик из-за утечки тока. Оба типа доступны в широком диапазоне напряжений. MOV обычно более подходят для более высоких напряжений, поскольку они могут проводить большие связанные с ними энергии с меньшими затратами. Другой тип устройства для подавления переходных процессов – газоразрядный супрессор. Это тип искрового промежутка, который может использовать воздух или смесь инертных газов и часто небольшое количество радиоактивного материала, такого как Ni 63, для обеспечения более стабильного напряжения пробоя и сокращения времени отклика. К сожалению, эти устройства могут иметь более высокое напряжение пробоя и большее время отклика, чем варисторы. Однако они способны выдерживать значительно более высокие токи короткого замыкания и многократные импульсы высокого напряжения (например, от молнии) без существенной деградации.

Варисторы многослойные

Многослойные варисторы (MLV) обеспечивают защиту электронных схем от электростатических разрядов от переходных процессов низкой и средней энергии в чувствительном оборудовании, работающем при напряжении от 0 до 120 вольт постоянного тока. Они имеют максимальные значения тока от 20 до 500 ампер и максимальные значения энергии от 0,05 до 2,5 джоулей.