Какой варистор. Общие принципы выбора варисторов для защиты от импульсных напряжений
Трегубов С.В.,к.т.н.
Пантелеев В.А., к.т.н.
Фрезе О.Г.
http://komi.com/progress/product/varistor/manual/
Введение
Каждая электроустановка имеет изоляцию, соответствующую ее номинальному напряжению. Рабочее напряжение, приложенное к установке, может отличаться от номинального, однако надежная работа обеспечивается только в том случае, если оно не выходит за пределы значений наибольших рабочих напряжений. Часто причиной выхода из строя электрооборудования становится наличие импульсов напряжения. Импульсом напряжения называется резкое изменение напряжения в точке электрической сети, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему уровня за промежуток времени до нескольких миллисекунд . Импульсы напряжения, возникающие в электрических сетях подразделяют на коммутационные и грозовые.
Источником энергии коммутационных импульсов напряжения является энергия, запасенная в реактивных (индуктивных и емкостных) элементах системы, которая обуславливает появление импульсов в переходных режимах при нормальных и аварийных коммутациях. Значения импульсных коммутационных напряжений зависят от параметров электрической системы, характеристик коммутирующих аппаратов, а также фазы тока на момент коммутации.
Причиной возникновения грозовых импульсов напряжения являются удары молнии в электроустановку или вблизи нее.
По данным США значения напряжения коммутационных импульсов даже в бытовых сетях могут достигать 20 кВ. Примерно такие же данные приводят японские, французские и другие исследователи. Исследования, проведенные нами по эксплуатации промышленного электрооборудования в сетях 0.4 кВ, позволяют утверждать, что, например, при тяжелых условиях коммутации силовых электродвигателей значение напряжения коммутационных импульсов может превышать 70 кВ. Нет необходимости говорить о последствиях такого воздействия на электрооборудование. Положение часто осложняется тем, что во многих случаях эксплуатация электрических машин производится в тяжелых условиях (загрязнение, увлажнение изоляции, частые пуски и остановки агрегатов), что обуславливает особую уязвимость изоляции электрооборудования из-за ее ускоренного износа и уменьшения электрической прочности.
Для защиты оборудования от импульсных напряжений в разных странах применяются вентильные разрядники, RC-цепочки, LC-фильтры и т.д. Однако в последние десятилетия во всем мире наиболее эффективным (и дешевым) средством защиты от импульсных напряжений любого вида признано использование нелинейных полупроводниковых резисторов, называемых варисторами. Отличительной чертой варистора является симметричная и резко выраженная нелинейная вольт-амперная характеристика (ВАХ — см. рис.1). За счет этого варисторы позволяют просто и эффективно решать задачи защиты различных устройств от импульсных напряжений. Основной принцип действия варистора весьма прост. Варистор включается параллельно защищаемому оборудованию, т.е. при нормальной эксплуатации он находится под действием рабочего напряжения защищаемого устройства. В рабочем режиме (при отсутствии импульсных напряжений) ток через варистор пренебрежимо мал, и поэтому варистор в этих условиях представляет собой изолятор.
Рис.1 Типичная вольтамперная характеристика варистора
При возникновении импульса напряжения варистор в силу нелинейности своей характеристики резко уменьшает свое сопротивление до долей Ома и шунтирует нагрузку, защищая ее, и рассеивая поглощенную энергию в виде тепла. В этом случае через варистор кратковременно может протекать ток, достигающий нескольких тысяч ампер. Так как варистор практически безынерционен, то после гашения импульса напряжения он вновь приобретает очень большое сопротивление. Таким образом, включение варистора параллельно электрооборудованию не влияет на его работу в нормальных условиях, но «срезает» импульсы опасного напряжения, что полностью обеспечивает сохранность даже ослабленной изоляции (см. рис 2).
Наиболее широкое применение находят варисторы на основе оксида цинка, что обусловлено, во-первых, относительной простотой их изготовления и, во-вторых, хорошей способностью оксида цинка поглощать высокоэнергетические импульсы напряжения. Варисторы изготавливают по обычной «керамической» технологии, включающей в себя прессование варисторов (чаще всего имеющих форму диска или шайбы), их обжиг, нанесение электродов, пайку выводов и нанесение электроизоляционных и влагозащитных покрытий. Такая технология в ряде случаев позволяет предприятиям-изготовителям выпускать варисторы по индивидуальным заказам.
Рис.2 Напряжение на нагрузке при коммутации в сети 0,4 кВ
Общие понятия
Важнейшей характеристикой варистора, определяющей его функциональные возможности, является его вольт-амперная характеристика. Ее особенностью является наличие участка малых токов (условно от нуля до нескольких миллиампер), в котором находится рабочая точка варистора и участок больших токов (до тысяч ампер), который в ряде случаев называют туннельным. Туннельный участок во многом определяет защитные свойства и, в частности, напряжение ограничения, т.е. максимальное напряжение, воздействующее на защищаемое электрооборудование при шунтировании его варистором. В области малых токов ВАХ удовлетворительно описывается уравнением
(1) где I — ток, А, U -напряжение, В, В — некоторая постоянная, ? — коэффициент нелинейности.
Для варисторов на основе оксида цинка коэффициент нелинейности обычно составляет 20- 60 единиц. Коэффициент нелинейности характеризует крутизну ВАХ и определяется отношением статического и дифференциального сопротивлений варистора в определенной точке.
(2)
Экспериментально коэффициент нелинейности можно оценить по формуле
(3)
Чаще всего коэффициент нелинейности определяется при токе 1 мА и 10 мА, при этом формула (3) приобретает вид
(4)
Одной из характеристик варистора является классификационное напряжение (Uкл)- это напряжение при определенном токе. Как правило, изготовители варисторов в качестве классификационного напряжения указывают напряжение на варисторе при токе 1мА.
В некоторых случаях указывают коэффициент защиты варистора — это отношение напряжения на варисторе при токе 100А к напряжению при токе 1мА (т.е. к классификационному напряжению). Этот коэффициент для варисторов на основе оксида цинка находится в пределах 1.4 — 1.6, и он характеризует способность варистора ограничивать импульсы перенапряжения. Другими словами- при росте напряжения в 1,4- 1,6 раза ток возрастает в 100 000 раз (!).
Важной характеристикой варистора является допускаемая мощность рассеивания — она характеризует возможность рассеивать поглощаемую электрическую энергию в виде тепла. Этот показатель в основном определяется геометрическими размерами варистора и конструкцией выводов. Для увеличения мощности рассеивания часто применяют массивные выводы, которые играют роль своеобразного радиатора.
Варисторы имеют достаточно большую емкость, определенным образом зависящую от приложенного напряжения. На рис.3 показаны типичные вольт-фарадные характеристики варистора. Как видно из приведенного рисунка, варистор имеет определенную емкость в рабочем режиме (когда нет импульсов напряжения), а при воздействии импульса напряжения емкость варистора практически равна нулю.
Рис.3 Вольтфарадные характеристики варисторов
Информацию о напряжении на варисторе в области больших токов изготовители приводят в технических условиях. Иногда это напряжение называют остающимся напряжением. При этом обязательно указывают длительность (форму) и амплитуду импульса тока, при воздействии которого на варистор эти измерения произведены. Остающееся напряжение при различных амплитудах тока импульса можно измерить на специальных импульсных установках.
Для расчета применения варисторов при грозовом разряде иногда приводят сведения о напряжении на варисторе при воздействии стандартного грозового импульса. На рис. 4 показана форма этого импульса, который часто называют импульсом 8/20 мкс.
Рис.4 Форма испытательного импульса 8/20 мкс
В некоторых случаях указывают коэффициент защиты варистора- это отношение напряжения на варисторе при токе 100 А к напряжению при токе 1 мА (т.е. к классификационному напряжению). Этот коэффициент для варисторов на основе оксида цинка находится в пределах 1,4-1,6, и он характеризует способность варистора ограничивать импульсы напряжения. При амплитуде тока 100 А остающееся напряжение можно рассчитать, умножив классификационное напряжение (номинальное или фактическое значение) на коэффициент защиты. Так, например, варистор с классификационным напряжением 430 В и коэффициентом защиты 1,4 — 1,6 при импульсе тока 100 А ограничит импульсное напряжение до уровня 602 — 688 В.
В России наиболее массовое производство малогабаритных варисторов организовано на Ухтинском заводе «Прогресс» |3,4,5|. Варисторы выполнены в виде дисков толщиной до 10 мм (в зависимости от классификационного напряжения). Варисторы СН2-1 и ВР-1 имеют проволочные однонаправленные выводы диаметром 0,8 мм (варисторы СН2-1 варианта «в» имею выводы диаметром 0,6 мм). Варисторы СН2-2 вариант «А» имеют штуцерные выводы с резьбой М5, вариант «Б» имеет массивные выводы, переходящие в шпильки с резьбой М5, вариант «Г» имеет массивные дисковые выводы с резьбой М5, а варианты «В» и «Д» имеют контактные поверхности, покрытые серебром. Для всех варисторов классификационный ток составляет 1 мА, температурный коэффициент напряжения отрицательный не более 0,05% на один градус Цельсия.
Возможные причины возникновения импульсных напряжений
Импульсные напряжения можно условно разделить внутренние и внешние. Внутренние импульсные напряжения, как правило, возникают при коммутации реактивных (емкостных, индуктивных) нагрузок, при пробое и др. Наибольшую угрозу при этом представляют импульсы напряжения, возникающее при отключении индуктивной нагрузки. В этих ситуациях оптимальный выбор варистора не представляет трудности, — необходимо только рассчитать (или определить экспериментально) форму и длительность импульсов напряжения. В худшем случае можно провести моделирование ситуаций и проверить эффективность варисторной защиты.
Внешние импульсные напряжения — это те, источники которых находятся вне защищаемой варистором системы. Некоторые причины таких ситуаций:
- гальваническое взаимодействие с источниками высоких напряжений;
- коммутации в сетях (полное включение-выключение напряжения, включение и отключение компенсирующих конденсаторных установок и др.);
- грозовые разряды (могут причинить вред на удалении до 20км);
- влияние индуктивности (проявляется при коротком замыкании нейтрали особенно в сетях с протяженными кабельными соединениями).
Идентифицировать, систематизировать причины возникновения внешних импульсных напряжений практически невозможно. Так фирма «Сименс» для бытовых линий 220 В советует принимать следующие значения внешних импульсных напряжений (но только как ориентировочные и без учета грозовых разрядов):
- амплитуда- до 6 кВ;
- частота — 0,05-5 МГц;
- длительность — 0,1- 100 мкс.
Ориентировочные значения параметров грозовых и коммутационных импульсов напряжения в сетях различного номинального напряжения приведены также в .
Рабочий режим варистора
Расчет рабочего режима варистора в силу его высокой нелинейности не является тривиальной задачей. Цель такого расчета — оптимальный выбор значения классификационного напряжения варистора. Важнейшим параметром при этом является рабочий ток, который должен быть минимальным и не приводить к перегреву варистора. С другой стороны при слишком малом рабочем токе варистора увеличивается напряжение, ограниченное варистором при возникновении импульса напряжения и варистор, по сути, не будет выполнять свою основную функцию.
Для ориентировочных расчетов рекомендуется , чтобы рабочее постоянное напряжение не превышало 0,85 Uкл. и, соответственно, на переменном токе действующее значение рабочего напряжения не превышало 0,6 Uкл. К сожалению, такой простой подход к решению задачи на практике малоприменим.
В технических условиях на варисторы типа СН2-1, СН2-2 указано, что постоянный или переменный предельный рабочий ток не должен превышать 0,1мА. Очевидно, что тепловая мощность, выделяемая на варисторе при протекании через него постоянного тока, будет существенно больше, чем при протекании переменного тока такой же амплитуды. На рис.5 показана форма тока варистора при синусоидальном напряжении.
Рис.5 Форма тока варистора при синусоидальном напряжении
Методика выбора и установки варисторов
Варисторы устанавливаются параллельно защищаемому электрооборудованию. В случае трехфазной нагрузки при соединении «звездой» они включаются в каждую фазу между фазой и землей, а при соединении нагрузки «треугольником» — между фазами. Наиболее предпочтительное место установки варисторов — сразу после коммутационного аппарата со стороны защищаемой нагрузки. Заводом «ПРОГРЕСС» выпускается очень удобный трехфазный ограничитель импульсных напряжений «Импульс-1», который представляет собой устройство для закрепления варисторов на электрощите, содержащее помещенные в корпус приспособления — держатели для трех варисторов, снабженные выводами. Это устройство позволяет легко реализовывать схемы защиты трехфазной нагрузки, соединенной как «звездой», так и «треугольником», а также защищать до трех независимых электроустановок, питающихся от однофазной сети.
Выбор типа используемого варистора и определение его классификационного напряжения осуществляется на основе анализа работы варистора в двух режимах: в рабочем и в импульсном.
1. Анализ работы варистора в рабочем режиме состоит в определении по таблице 1 такого классификационного напряжения, для которого длительное максимальное напряжение на нагрузке наиболее близко к табличному значению, но не превосходит его. Данные таблицы справедливы для варисторов с предельными отклонениями классификационного напряжения не более 10 % . Максимально допустимое длительное действующее переменное напряжение для варисторов зарубежного производства в большинстве случаев указывается в составе маркировки.
2. Анализ работы варистора в импульсном режиме состоит в расчете максимальной мгновенной энергии по формуле:
где E — максимальная мгновенная энергия в джоулях, P — номинальная мощность нагрузки, приходящаяся на одну фазу (Вт), f — частота переменного напряжения (Гц), ? — КПД защищаемой нагрузки. Такие расчеты обычно выполняются для нагрузок в несколько киловатт и более.
По таблице 2 выбирают тип варистора, обеспечивающего рассеивание энергии, значение которой рассчитано по приведенной формуле.
Таблица 1 В вольтах
| классифи- кационное напряжение |
максимально допустимое длительное действующее переменное напряжение |
максимально допустимое длительное постоянное напряжение |
классифи- кационное напряжение |
максимально допустимое длительное действующее переменное напряжение |
максимально допустимое длительное постоянное напряжение |
| 10 | 6 | 8 | 270 | 175 | 225 |
| 15 | 9 | 12 | 300 | 190 | 245 |
| 22 | 14 | 18 | 330 | 210 | 270 |
| 27 | 17 | 22 | 360 | 230 | 300 |
| 33 | 20 | 26 | 390 | 250 | 320 |
| 39 | 25 | 31 | 430 | 275 | 350 |
| 47 | 30 | 38 | 470 | 300 | 385 |
| 56 | 35 | 45 | 510 | 320 | 420 |
| 68 | 40 | 56 | 560 | 350 | 460 |
| 82 | 50 | 65 | 620 | 385 | 505 |
| 100 | 60 | 85 | 680 | 420 | 560 |
| 120 | 75 | 100 | 750 | 460 | 615 |
| 150 | 95 | 125 | 820 | 510 | 670 |
| 180 | 115 | 150 | 910 | 550 | 745 |
| 200 | 130 | 170 | 1000 | 625 | 825 |
| 220 | 140 | 180 | 1100 | 680 | 895 |
| 240 | 150 | 200 | 1200 | 750 | 1060 |
Таблица 2
| Классифика- ционное напряжение,В |
Максимальная энергия рассеивания варисторов, Дж | |||||
| СН2-2А | СН2-1а | СН2-1б | СН2-1в | ВР-1-1 | ВР-1-2 | |
| 10 | — | — | — | — | 0.18 | — |
| 15 | 0.26 | — | ||||
| 22 | — | — | — | — | 0.56 | 0.23 |
| 27 | — | — | — | — | 0.64 | 0.26 |
| 33 | — | — | — | — | 0.71 | 0.30 |
| 39 | — | — | — | — | 1.3 | 0.47 |
| 47 | — | — | — | — | 1.6 | 0.56 |
| 56 | — | — | — | — | 1.9 | 0.66 |
| 68 | — | — | — | — | 2.3 | 0.76 |
| 82 | — | — | — | — | — | — |
| 100 | — | 17.0 | 10 | 2.7 | — | — |
| 120 | — | 25.2 | 12 | 3.0 | — | — |
| 150 | — | 31.5 | 15 | 3.8 | — | — |
| 180 | — | 37.8 | 18 | 4.5 | — | — |
| 200 | — | 42.0 | 20 | 5.0 | — | — |
| 220 | — | 46.2 | 22 | 5.5 | — | — |
| 240 | — | 50.4 | 25 | 6.0 | — | — |
| 270 | — | 56.7 | 28 | — | — | — |
| 300 | — | 63.0 | 31 | — | — | — |
| 330 | 104 | 69.3 | 34 | — | — | — |
| 360 | 115 | 75.6 | 37 | — | — | — |
| 390 | 125 | 81.9 | 40 | — | — | — |
| 430 | 138 | 90.3 | 43 | — | — | — |
| 470 | 152 | 98.7 | 47 | — | — | — |
| 510 | 168 | 107 | — | — | — | — |
| 560 | 187 | 118 | — | — | — | — |
| 620 | 207 | 130 | — | — | — | — |
| 680 | 227 | 143 | — | — | — | — |
| 750 | 248 | 158 | — | — | — | — |
| 820 | 280 | 172 | — | — | — | — |
| 910 | 312 | 191 | — | — | — | — |
| 1000 | 347 | 210 | — | — | — | — |
| 1100 | 385 | 233 | — | — | — | — |
| 1200 | 424 | 252 | — | — | — | — |
| 1300 | 463 | — | — | — | — | — |
| 1500 | 508 | — | — | — | — | — |
Пример 1. Определить марку варисторов для защиты электродвигателя ВАСО16-34-24 при соединении обмоток “звездой” в сети 0.4 кВ.
Решение.
Т.к. обмотки соединены “звездой”, то каждая из них находится под напряжением 220В. Если учесть нормируемое предельно допустимое отклонение напряжения 15 %, то макси- мальное рабочее напряжение составит 253 В. Из таблицы 1 видно, что условию п.1 удов- летворяют варисторы с классификационным напряжением 430 В.
Из паспортных данных электродвигателя известно, что его мощность 90 кВт, КПД 91.8%, а cos? = 0.64. Рассчитаем величину максимальной мгновенной энергии:
Из таблицы 2 видно, что для защиты этого электродвигателя может быть использован ва- ристор СН2-2 (вар. А,Г) с классификационным напряжением 430 В с максимальной мощ- ностью рассеивания 138 Дж.
Пример 2. Определить марку варистора для защиты электродвигателя АО-315-УУ3 при соединении обмоток “треугольником”.
При соединении “треугольником” каждая обмотка находится под напряжением 380В. Если нормируемое предельно допустимое отклонение напряжения составит 15 %, то мак- симальное длительное напряжение составит 437 В. Из таблицы 1 видно, что условие п.1 может быть удовлетворено только при использовании варисторов с классификационным напряжением 750 В и выше.
Мощность двигателя 200 кВт, КПД 90%, cos? = 0.92. Рассчитаем Е:
Из таблицы 2 видно, что уже варистор СН2-2 750 В имеет более высокую энергию рассеяния (248 Дж), поэтому он и должен использоваться.
При использовании двухфазной нагрузки величину мощности не нужно делить на 3. Расчеты показывают, что уже варистор СН2-2 (вар. А,Г) в большинстве случаев обеспечивает защиту электрооборудования мощностью до 30 кВт. Это означает, что для бытовых электроприборов практически достаточно рассмотрение лишь п.1 и применять малогабаритные варисторы типа СН2-1 или аналогичные. На практике есть случаи, когда величина расчетного рабочего тока не совпадает с экспериментальными значениями. Как правило это бывает на переменном токе, когда не учитывают величину реактивного тока, который можно рассчитать по известным формулам. Так реактивный ток варистора СН2-1 с классификационным напряжением 430В (его номи- нальная емкость 600пФ), при установке в бытовую сеть 220В составит 0,04мА (что соиз- меримо с предельным рабочим током 0,1мА).
Совместная работа варисторов
Вполне очевидно, что варисторы могут работать при последовательном включении — при этом в них протекает одинаковый ток, общее напряжение разделится пропорционально сопротивлениям (в первом приближении- пропорционально классификационным напряжениям), в этих же пропорциях разделится поглощаемая энергия. Сложнее обеспечить параллельную работу варисторов — необходимо строгое совпадение ВАХ. Эта задача вполне разрешима при последовательно-параллельной схеме включения — т.е. варисторы последовательно собираются в столбы, а столбы соединяются параллельно. При этом путем подбора варисторов обеспечивают совпадение ВАХ столбов варисторов. Так поступают при создании высоковольтных, мощных ограничителей перенапряжений (ОПН).
Литература
- ГОСТ 13109-97 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
- Пантелеев В.А. Вольтамперные характеристики силовых варисторов. В кн.: Проблемы освоения природных ресурсов Европейского Севера. Ухта: Изд. УИИ, 1996. с. 12 – 17.
- ТУ 11-85. Варисторы постоянные СН2-1. Технические условия. ОЖО.468.171.
- ТУ 11-85. Варисторы постоянные ВР-1. Технические условия.ОЖО.468.227.
- ТУ 11-85. Варисторы постоянные СН2-2. Технические условия. ОЖО.468.205.
- Квасков В.Б. Полупроводниковые приборы с биполярной проводимостью.-М: Энерго- атомиздат. 1988.-128 с.: ил.
В электронике можно выделить группу компонентов, задача которых ограничение всплесков напряжения. Один из таких элементов — варистор. Чаще всего данный аппарат можно встретить в большинстве хороших блоков питания. В этой статье мы поговорим о том, как работают и где применяются варисторы.
Принцип действия
Варистор — это полупроводниковый прибор с симметричной нелинейной вольтамперной характеристикой. По ее форме можно сделать вывод о том, что варистор работает и в переменном и в постоянном токе. Рассмотрим её подробнее.
В нормальном состоянии ток через варистор предельно мал, его называют . Его можно рассматривать как диэлектрический компонент с определенной электрической емкостью и можно говорить, что он не пропускает ток. Но, при определенном напряжении (на картинке это + — 60 Вольт) он начинает пропускать ток.
Другими словами, принцип работы варистора в защитных цепях напоминает разрядник, только в полупроводниковом приборе не возникает дугового разряда, а изменяется его внутреннее сопротивление. При уменьшении сопротивления, ток с единиц микроампер возрастает до сотен или тысяч Ампер.
Условное графическое изображение варистора в схемах:
Обозначение элемента на схемах напоминает обычный резистор, но перечеркнутый по диагонали линией, на которой может быть нанесена буква U. Чтобы найти на плате или в схеме этот элемент – обращайте внимание на подписи, чаще всего они обозначаются, как RU или VA.
Внешний вид варистора:
Варистор устанавливают параллельно цепи для ее защиты. Поэтому при импульсе напряжения защищаемой цепи — энергия поступает не в устройство, а рассеивается в виде тепла на варисторе. Если энергия импульса слишком велика — варистор сгорит. Но понятие сгорит размазано, варианта развития два. Либо варистор просто разорвет на части, либо его кристалл разрушится, а электроды замкнутся накоротко. Это приведет к тому, что выгорят дорожки и проводники, или произойдет возгорание элементов корпуса и других деталей.
Чтобы этого избежать перед варистором, последовательно со всей цепью на сигнальный или питающий провод устанавливают предохранитель. Тогда в случае сильного импульса напряжения и долговременного срабатывания или перегорания варистора сгорит и предохранитель, разорвав цепь.
Если сказать вкратце, для чего нужен такой компонент — его свойства позволяют защитить электрическую цепь от губительных всплесков напряжения, которые могут возникать как на информационных линиях, так и на электрических линиях, например, при коммутации мощных электроприборов. Мы обсудим этот вопрос немного ниже.
Устройство
Варисторы устроены достаточно просто — внутри есть кристалл полупроводникового материала, чаще всего это Оксид Цинка (ZiO) или Карбид Кремния (SiC). Прессованный порошок этих материалов подвергают высокотемпературной обработке (запекают) и покрывают диэлектрической оболочкой. Встречаются либо в исполнении с аксиальными выводами, для монтажа в отверстия на печатной плате, а также в SMD-корпусе.
На рисунке ниже наглядно изображено внутреннее устройство варистора:
Основные параметры
Чтобы правильно подобрать варистор, нужно знать его основные технические характеристики:
- Классификационное напряжение, может обозначаться как Un. Это такое напряжение, при котором через варистор начинает протекать ток силой в 1 мА, при дальнейшем превышении ток лавинообразно увеличивается. Именно этот параметр указывают в маркировке варистора.
- Номинальная рассеиваемая мощность P. Определяет, сколько может рассеять элемент с сохранением своих характеристик.
- Максимальная энергия одиночного импульса W. Измеряется в Джоулях.
- Максимальный ток Ipp импульса. При том что фронт нарастает в течении 8 мкс, а общая его длительность — 20 мкс.
- Емкость в закрытом состоянии — Co. Так как в закрытом состоянии варистор представляет собой подобие конденсатора, ведь его электроды разделены непроводящим материалом, то у него есть определенная емкость. Это важно, когда устройство применяется в высокочастотных цепях.
Также выделяют и два вида напряжений:
- Um~ — максимальное действующее или среднеквадратичное переменное;
- Um= — максимальное постоянное.
Маркировка и выбор варистора
На практике, например, при ремонте электронного устройства приходится работать с маркировкой варистора, обычно она выполнена в виде:
20D 471K
Что это такое и как понять? Первые символы 20D — это диаметр. Чем он больше и чем толще — тем большую энергию может рассеять варистор. Далее 471 — это классификационное напряжение.
Могут присутствовать и другие дополнительные символы, обычно указывают на производителя или особенность компонента.
Теперь давайте разберемся как правильно выбрать варистор, чтобы он верно выполнял свою функцию. Чтобы подобрать компонент, нужно знать в цепи с каким напряжением и родом тока он будет работать. Например, можно предположить, что для защиты устройств, работающих в цепи 220В нужно применять варистор с классификационным напряжением немного выше (чтобы срабатывал при значительных превышениях номинала), то есть 250-260В. Это в корне не верно.
Дело в том, что в цепях переменного тока 220В — это действующее значение. Если не углубляться в подробности, то амплитуда синусоидального сигнала в корень из 2 раз больше чем действующее значение, то есть в 1,41 раза. В результате амплитудное напряжение в наших розетках равняется 300-310 В.
240*1,1*1,41=372 В.
Где 1,1 – коэффициент запаса.
При таких расчетах элемент начнет срабатывание при скачке действующего напряжения больше 240 Вольт, значит его классификационное напряжение должно быть не менее 370 Вольт.
Ниже приведены типовые номиналы варисторов для сетей переменного тока с напряжением в:
- 100В (100~120)– 271k;
- 200В (180~220) – 431k;
- 240В (210~250) – 471k;
- 240В (240~265) – 511k.
Применение в быту
Назначение варисторов — защита цепи при импульсах и на линии. Это свойство позволило рассматриваемым элементам найти свое применение в качестве защиты:
- линий связи;
- информационных входов электронных устройств;
- силовых цепей.
В большинстве дешевых блоков питания не устанавливают никаких защит. А вот в хороших моделях по входу устанавливают варисторы.
Кроме того, все знают, что компьютер нужно подключать к питанию через специальный удлинитель с кнопкой — . Он не только фильтрует помехи, в схемах нормальных фильтров также устанавливают варисторы.
Все, кто сталкивался с радиоэлектронной аппаратурой, наверняка обратили внимание, что название большинства электронных компонентов заканчивается на «стор». Резистор, транзистор , тиристор, стабистор.
Рассмотрим ещё один компонент электронных схем. Он называется варистор и представляет собой резистор , сопротивление которого меняется в зависимости от величины подаваемого напряжения.
Varistor (Variable Resistor) так и переводится – изменяющееся сопротивление. А вот так варистор обозначается на принципиальных схемах.
Английская буква U рядом с наклонной чертой указывает на то, что сопротивление электронного компонента зависит от напряжения. На схемах варистор обычно маркируется двумя буквами RU , а после них ставиться порядковый номер варистора в схеме (1, 2, 3...).
Варистор является полупроводниковым прибором, изготовленным из порошка карбида кремния (SiC) или окиси цинка (ZnO) методом прессования. У варистора симметричная и нелинейная вольт-амперная характеристика, поэтому он может применяться в цепях постоянного и переменного тока. Варисторы обладают крайне полезным для электрических цепей качеством. Они способны резко менять своё сопротивление при превышении напряжением определённого порога срабатывания.
В случае возникновения импульса напряжения способного вывести из строя электронное устройство, варистор практически мгновенно изменяет своё сопротивление от сотен МОм до десятков Ом, то есть закорачивает цепь питания, поэтому перед варистором всегда ставится обычный плавкий предохранитель.
Раньше для таких защитных целей ставились газонаполненные разрядники, но их быстродействие и надёжность не идут ни в какое сравнение с параметрами варисторов. Например, дисковый варистор без выводов и впаиваемый непосредственно в печатную плату имеет время срабатывания не превышающее нескольких наносекунд.
Варистор подключается параллельно цепи питания. При отсутствии опасных импульсов напряжения ток, протекающий через него, имеет небольшую величину и варистор не влияет на работу схемы, так как по сути является диэлектриком.
Если возник импульс перенапряжения, варистор из-за нелинейности характеристики уменьшает своё сопротивление практически до нуля. Нагрузка шунтируется, а поглощённая энергия рассеивается в виде тепла. Варистор не обладает инерцией, поэтому после «срезания» импульса он мгновенно снова приобретает очень большое сопротивление.
Если импульс перенапряжения был слишком большой и мощный, то варистор выходит из строя. Порой его корпус трескается, а то и вообще раскалывается на несколько частей.
Бывает, что варистор очень выручает при неполадках в электросети, так как принимает высоковольтный импульс на себя и способствует скорейшему разрыву цепи. При этом основная часть схемы остаётся невредимой. На фото блок питания от проектора, который вышел из строя после скачка напряжения в электросети 220V.
После замены плавкого предохранителя работа проектора была полностью восстановлена. Никакого сложного ремонта, кроме замены предохранителя и самого варистора не потребовалось. Вот так одна небольшая деталь может спасти дорогостоящий прибор.
Параметры варисторов.
Основные параметры варисторов:
Классификационное напряжение варистора (Varistor Voltage). Это величина напряжения, при котором через варистор протекает ток величиной 1 mA. Этот параметр не является рабочим и скорее является условным. При подборе варистора следует обращать внимание на параметры, о которых речь пойдёт далее;
Максимально допустимое переменное напряжение (Maximum Allowable Voltage – ACrms). Для варисторов указывается среднеквадратичное значение переменного напряжения (rms). Это величина переменного напряжения, при котором варистор "срабатывает" и начинает пропускать через себя ток, выполняя свои защитные функции;
Максимально допустимое постоянное напряжение (Maximum Allowable Voltage – DC). Тоже, что и максимально допустимое переменное напряжение но для постоянного тока. Как правило, величина этого параметра больше, чем для переменного тока. Указывается также в вольтах (V);
Максимальное напряжение ограничения (Maximum Clamping Voltage). Это максимальное напряжение, которое способен выдержать варистор без повреждения. Как правило оговаривается для конкретной величины протекающего через варистор тока. При превышении напряжения ограничения варистор выходит из строя. Корпус варистора при этом растрескивается надвое или вовсе разлетается на куски.
Максимальная поглощаемая энергия в джоулях (Дж). Это величина максимальной энергии импульса, которую может рассеять варистор в виде тепла без угрозы разрушения самого варистора;
Время срабатывания - время, за которое варистор переходит из высокоомного состояния в низкоомное при превышении максимально допустимого напряжения. Для широко распространённых варисторов это значение составляет несколько десятков наносекунд (нс). Например, 25 нс.
Допустимое отклонение (Varistor Voltage Tolerance) – допустимое отклонение квалификационного напряжения варистора. Указывается в процентах – %. Может быть ±5%, ±10%, ±20% и т.д. В маркировке импортных варисторов значение допуска зашифровывается в маркировку варистора буквой. Например, для варисторов фирмы Joyin принято такое обозначение: K – ±10%, L – ±15%, M – ±20%, P – ±25%. Таким образом, для варистора типа JVR-07N391K – отклонение составляет не более ±10%.
При подборе варисторов для электронных схем лучше обращаться к справочному листку (даташиту) на конкретный варистор. Это будет более разумным решением, так как на корпус импортных варисторов наноситься только величина квалификационного напряжения, по которому достаточно сложно судить о параметрах защитного элемента.
Применение варисторов.
Для обычной сети 220 вольт устанавливают защитные варисторы с напряжением срабатывания 275 – 420 вольт. Вот пример надёжно защищённого сетевого фильтра.
Этот сетевой фильтр защищают три варистора. То есть надёжно блокируется проникновение импульса не только по фазовой цепи, но и по цепи нуля. Варистор RU1 стоит между фазой и нулевым проводником. Он осуществляет основную защиту. Два других RU2 и RU3 подключаются между фазой и землёй и между нулём и землёй. Очень часто бывает ситуация когда на целой улице у всех пользователей вышла из строя вся электронная бытовая аппаратура. О таких случаях были даже телепередачи, когда тысячи человек не могли разобраться на кого писать заявление в суд.
А всё дело в том, что на линии электроснабжения, питающей допустим улицу или микрорайон, вместо фазы и нуля по обоим проводам пошла фаза. Это почти верная смерть для незащищённой бытовой аппаратуры. То есть между проводами N и PE, если всё нормально, напряжения быть не должно. В случае появления фазы на проводе N варистор RU2 благополучно зашунтирует защищаемый блок. Это один из примеров использования варисторов в цепях питания бытовой электронной аппаратуры.
Миниатюрные многослойные варисторы уже давно используются в схемах мобильных телефонов и защищают их от статического электричества. Так же варисторы используются для надёжной защиты компьютерных разъёмов и выводов микропроцессоров от той же статики. Варисторы активно применяются в автомобильной электронике и телекоммуникационном оборудовании.
Варисторы можно встретить во входных цепях блоков питания . Вот фото варистора 391KD14 на плате резервируемого блока питания.
А здесь варистор FNR-14K391 установлен в схему охранного прибора "Гранит" для защиты его блока питания от всплесков напряжения в электросети 220V.
Обнаружить варистор можно и на платах электронного балласта для люминесцентных ламп. На фото показан варистор MYG-10K471, установленный в схему электронного пуско-регулирующего аппарата (ЭПРА) для четырёх линейных люминесцентных ламп. На плате он обозначен как RU.
Варисторы для защиты бытовой электроники обычно выпускаются в виде диска с двумя выводами. Чем больше диаметр диска, тем более мощный импульс напряжения способен погасить варистор. Мощность импульса или энергию, которую способен "погасить" варистор обычно измеряют в джоулях (Дж).
Вот, например, несколько варисторов. Значение диаметра варистора в миллиметрах, как правило, вводится в маркировку самого варистора, например, JVR-07 N391K (диаметр – 7 мм.).
Диаметр самого большого варистора типа MYG-14K391, изображённого на фотографии – 14 мм. (~70 Дж), чуть поменьше варистор MYG-10K471 – 10 мм. (~45 Дж), а маленького JVR-07N391K – 7 мм. (~30 Дж).
В скобках указана величина энергии поглощения в джоулях (Дж). Как видим, варистор, обладающий самым большим диаметром в 14 мм. способен погасить энергию опасного импульса в 70 джоулей, в то время как самый маленький варистор диаметром 7 мм. способен погасить всего лишь 30 джоулей. Таким образом, по величине диаметра варистора можно косвенно судить о его максимальной энергии поглощения. Понятно, что в электронные схемы предпочтительнее устанавливать варисторы, рассчитанные на большую энергию поглощения. Также рекомендуется устанавливать в схему по два одинаковых варистора, включенных параллельно.
Также существуют варисторы и для SMD монтажа. По внешнему виду они напоминают SMD диоды и поэтому их достаточно сложно отличить.
К варисторам отечественного производства относятся изделия марки СН2-1А, СН1-2-1, ВР-4В и др.
Конечно, у варисторов имеются недостатки, но они не столь значительны по сравнению с газоразрядными приборами. Прежде всего, варисторы обладают довольно большими шумами на низкой частоте, а также меняют свои параметры со временем и от воздействия температуры.
Стоит заметить, что среди защитных компонентов кроме варистора существует ещё один электронный компонент – супрессор . Это так называемый защитный диод или трансил. По своим функциям (но не устройству!) он чем-то похож на варистор, но обладает большим быстродействием и, как правило, используется в низковольтных цепях.
Кроме маломощных варисторов, которые применяются для защиты бытовой аппаратуры, промышленность выпускает очень мощные варисторы на большие напряжения и токи. Они используются на трансформаторных подстанциях и всегда включаются в системы грозозащиты.
При установке варисторов в самодельные конструкции следует иметь в виду, что иногда, при возникновении критических условий варисторы могут «взрываться» и чтобы предохранить монтаж и другие радиоэлектронные компоненты от последствий такого «взрыва» их стараются помещать в защитные экраны. Если сравнивать варисторы из карбида кремния и оксида цинка то, по мнению специалистов, вторые предпочтительнее.
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, т. е. он может работать и на переменном напряжении. Варистор должен защищать подключённую к сети электроаппаратуру аппаратуру от перенапряжений – это его основная задача. В сети могут появляться не только кратковременные высоковольтные импульсы напряжения, но и долговременное повышение напряжения до 380В. При длительных перенапряжениях, примеру при перекосе фаз при использовании на другой фазе сварочного аппарата, варистор должен выдержать перенапряжение и не разрушиться до момента срабатывания защитного аппарата или предохранителя, стоящего перед ним. С увеличением напряжения растет ток через варистор, резко увеличиваясь до номинального значения варистора. 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.
Вот такие бывают варисторы:
варистор 220KD07 (14V)
варистор 270KD07 (17V)
варистор 330KD07 (20V)
варистор 390KD07 (25V)
варистор 560KD07 (35V)
варистор 680KD07 (40V)
варистор 101KD07 (60V)
варистор 121KD07 (75V)
варистор 121KD10 (75V)
варистор 151KD07 (95V)
варистор 151KD10 (95V)
варистор 181KD07 (115V)
варистор 181KD10 (115V)
варистор 221KD10 (140V)
варистор 241KD07 (150V)
варистор 241KD10 (150V)
варистор 241KD14 (150V)
варистор 271KD07 (175V)
варистор 271KD10 (175V)
варистор 301KD14 (200V)
варистор 331KD10 (210V)
варистор 331KD14 (210V)
варистор 361KD10 (230V)
варистор 361KD14 (230V)
варистор 361KD20 (230V)
варистор 391KD07 (250V)
варистор 391KD10 (250V)
варистор 391KD14 (250V)
варистор 391KD20 (250V)
варистор 431KD07 (275V)
варистор 431KD10 (275V)
варистор 431KD14 (275V)
варистор 431KD20 (275V)
варистор 471KD07 (300V)
варистор 471KD10 (300V)
варистор 471KD14 (300V)
варистор 471KD20 (300V)
варистор 561KD14 (350V)
варистор 561KD20 (350V)
варистор 561KD32 (350V)
варистор 621KD10 (385V)
варистор 621KD14 (385V)
варистор 621KD20 (385V)
варистор 681KD14 (420V)
варистор 681KD20 (420V)
варистор 821KD20 (510V)
варистор 102KD20 (625V)
Варисторы устанавливаются параллельно защищаемому электрооборудованию. В случае трехфазной нагрузки при соединении "звездой" они включаются в каждую фазу между фазой и землей, а при соединении нагрузки "треугольником" - между фазами. Наиболее предпочтительное место установки варисторов - сразу после коммутационного аппарата со стороны защищаемой нагрузки. Заводом "ПРОГРЕСС" выпускается очень удобный трехфазный ограничитель импульсных напряжений "Импульс-1", который представляет собой устройство для закрепления варисторов на электрощите, содержащее помещенные в корпус приспособления - держатели для трех варисторов, снабженные выводами. Это устройство позволяет легко реализовывать схемы защиты трехфазной нагрузки, соединенной как "звездой", так и "треугольником", а также защищать до трех независимых электроустановок, питающихся от однофазной сети.
Выбор типа используемого варистора и определение его классификационного напряжения осуществляется на основе анализа работы варистора в двух режимах: в рабочем и в импульсном.
1. Анализ работы варистора в рабочем режиме состоит в определении по таблице 1 такого классификационного напряжения, для которого длительное максимальное напряжение на нагрузке наиболее близко к табличному значению, но не превосходит его. Данные таблицы справедливы для варисторов с предельными отклонениями классификационного напряжения не более 10 % . для варисторов зарубежного производства в большинстве случаев указывается в составе маркировки.
2. Анализ работы варистора в импульсном режиме состоит в расчете максимальной мгновенной энергии по формуле:
E=P*tg(phi)/2п*f*n
где E - максимальная мгновенная энергия в джоулях, P - номинальная мощность нагрузки, приходящаяся на одну фазу (Вт), f - частота переменного напряжения (Гц), n - КПД защищаемой нагрузки. Такие расчеты обычно выполняются для нагрузок в несколько киловатт и более.
По таблице 2 выбирают тип варистора, обеспечивающего рассеивание энергии, значение которой рассчитано по приведенной формуле.
Таблица 1 В вольтах
|
максимально допустимое длительное действующее переменное напряжение |
классифи- кационное напряжение |
максимально допустимое длительное действующее переменное напряжение |
максимально допустимое длительное постоянное напряжение |
||
Таблица 2
|
Классифика- |
Максимальная энергия рассеивания варисторов, Дж |
|||||
|
ционное нап- ряжение,В |
||||||
Только имейте в виду некоторые производители пишут на варисторах классификационное напряжение варистора , а некоторые значение на переменный ток.
На варисторах российского производства пишется классификационное напряжение.
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. От этой величины зависит, как долго может действовать перегрузка (с максимальной мощностью Рт) без опасности повредить варистор.
Номинальное напряжение определяет максимально возможное напряжение, которое может быть применено к варистору. Превысить номинальное напряжение может только непродолжительный импульс перенапряжения, а именно ток перегрузки (импульсный) Imax и энергия импульса Wmax. При работе варистора к нему применяются амплитуда и количество импульсов, что и является характеристикой импульсов стандартной формы.
Wmax - энергия, которая рассеивается варистором, когда через него протекает импульса тока 10/1000. Характеристика Pmax должна иметься в виду, когда варистор не справляется с рассеиванием тепла в паузах между приложенными импульсами тока и перегревается. В целом Pmax зависит от размера и конструкции выводов варистора.
Обозначение варисторов:
Цифра до букв это диаметр варистора в мм. Цифры после букв это напряжение 431 = 430в, 471 = 470в. Бывает часто пишут маркировку без букв. Типа 7271, 10751.
Примеры: защита от скачков напряжений в ИБП ХВОХ-360 из Англии где 240в, стояло 2 параллельно варистора на 431 (430в).
Варистор в ИБП на 120в от игровой приставки WII из США стоял 7Z271 на 270в.
Варистор в ИБП на 220в от DVD плеера для России стоял 10Z471 на 470в.
Варистор в ИБП на 220в от CRT-телевизора Samsung 21" стоял TVR10751 (750в).
Типовое значение времени срабатывания варисторов при воздействии перенапряжения составляет не более 25 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 не (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.
Для сети с действующим напряжением 220 В (50 Гц) обычно устанавливают варисторы с классификационным напряжением не ниже 380…430 В. Для варистора с классификационным напряжением 430 В при импульсе тока 100 А напряжение будет ограничено на уровне около 600 В.
Варисторы можно соединять последовательно и параллельно , у них сопротивление нелинейное, напряжение между ними само выровняется. По сути варистор можно считать двухсторонним (на зависящим от полярности) стабилитроном, только с более мягкой характеристикой. К примеру нужно получить варистор на 360В, для этого возьмем два по 180В и соединим их последовательно! Для увеличения мощности варистора из нескольких небольших, можно получить мощную сборку, соединив их параллельно, однако надо учесть что существует определенный разброс параметров классификационных напряжений у каждого варистора из сборки, поэтому применение одного более мощного варистора более предпочтительно. Чтобы обеспечить нормальную параллельную работу варисторов - необходимо строгое совпадение ВАХ. Эта задача вполне разрешима при последовательно-параллельной схеме включения - т.е. варисторы последовательно собираются в столбы, а столбы соединяются параллельно. При этом путем подбора варисторов обеспечивают совпадение ВАХ столбов варисторов. Так поступают при создании высоковольтных, мощных ограничителей перенапряжений (ОПН).
Частой причиной выхода из строя оборудования, например, блоков питания, является наличие в сети импульсов перенапряжения. Они могут быть вызваны различными электромагнитными помехами, связанными с грозовыми разрядами, либо с коммутацией и разрядами индуктивных и емкостных элементов цепи, а также соответствующими переходными процессами.
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 (рис. 1.4), т. е. он может работать и на переменном напряжении.
Рис. 1.4. 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 газрядниками, 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.
Они широко применяются в промышленном оборудовании и приборах бытового назначения:
а) для защиты полупроводниковых приборов: тиристоров, симисторов, транзисторов, диодов, стабилитронов;
б) для электростатической защиты входов радиоаппаратуры;
в) для защиты от электромагнитных всплесков в мощных индуктивных элементах;
г) как элемент искрогашения в электромоторах и переключателях.
Типовое значение времени срабатывания варисторов при воздействии перенапряжения составляет не более 25 не, но для защиты некоторых видов оборудования его может оказаться недостаточно (для электростатической защиты необходимо не более 1 не). 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 не (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.
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. 1.5. Внешний вид 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.
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. От этой величины зависит, как долго может действовать перегрузка (с максимальной мощностью Рт) без опасности повредить варистор, т. е.:
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.
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 <= 0,6Un, а на постоянном — Uвх < 0,85Un.
Для сети с действующим напряжением 220 В (50 Гц) обычно устанавливают варисторы с классификационным напряжением не ниже 380…430 В. Для варистора с классификационным напряжением 430 В при импульсе тока 100 А напряжение будет ограничено на уровне около 600 В.
В России крупнейшим производителем варисторов (СН2-1, BP-1, СН2-2) является завод «Прогресс» (г. Ухта). Параметры некоторых из них приведены в табл. 1.2.
Таблица 1.2. Основные параметры варисторов отечественного производства
|
варистора |
||||
Примечание. Емкость для отечественных варисторов не указывается.
Из всего разнообразия выпускаемых за рубежом варисторов параметры одного из типов, имеющих дисковую конструкцию, приведены в табл. 1.3 (другие типы имеют близкие параметры). Они выпускаются на рабочие напряжения от 4 до 1500 В с небольшим шагом, но в продаже вы вряд ли найдете все номиналы из ряда (в случае необходимости можно заказать их изготовление на любое напряжение для поставки больших партий), но обычно можно использовать ближайшие номиналы из ряда в сторону увеличения напряжения.
Таблица 1.3. Основные параметры дисковых варисторов серии TVR
|
варистора |
|||||
Для повышения рассеиваемой мощности варисторы можно включать последовательно (или параллельно, если подбирать их по идентичным параметрам). Размеры варисторов зависят от мощности, но так как такие элементы работают при импульсной перегрузке, чаще указывают рассеиваемую энергию в джоулях:
которая связана с мощностью соотношением:
Для выбора варистора с необходимой энергией рассеивания для защиты нагрузок, потребляющих мощность более 1…2 кВт, в практических расчетах можно руководствоваться приведенной в формулой:
где W — максимальная мгновенная энергия в джоулях;
Р — номинальная мощность нагрузки, приходящаяся на одну фазу, Вт;
а — коэффициент нелинейности варистора;
f — частота переменного напряжения, Гц;
n — КПД защищаемой нагрузки.
Максимально допустимое значение рассеиваемой энергии у примененного варистора должно превышать эту величину.
Так как перегрев варистора приводит к его повреждению, выпускаются такие элементы и с уникальными свойствами, например, имеющие температурную защиту — размыкающий механический контакт в защищаемой цепи, что значительно повышает надежность работы узла.
Сравнение основных характеристик варисторов разных типов можно найти в Интернет [Л 12]. Суть его заключается в том, что отечественные производители выпускают компоненты по техническим параметрам не хуже, чем это делают за рубежом (правда, приобрести их радиолюбителю намного сложней — в продаже чаще можно встретить импортные).
В качестве основного недостатка варистора можно отметить его большую собственную емкость, которая вносится в цепь. В зависимости от конструкции, типа и номинального напряжения эта емкость может составлять от 80 до 30000 пФ. Впрочем, для некоторых применений большая емкость может быть и достоинством, например в фильтре, совмещающем в себе функцию ограничения напряжения (для таких применений можно заказать изготовление варисторов с повышенной емкостью). Вторым недостатком является меньшая максимальная допустимая рассеиваемая мощность по сравнению с разрядниками (для увеличения мощности рассеивания изготовители увеличивают размеры корпуса варистора).
Применяя гальванические элементы для питания аппаратуры, следует помнить, что долговечность их работы зависит от условий хранения и величины тока, который потребляет устройство. Так, сохранять элемент или батарею необходимо в…….
Американские радиолюбители используют следующие вызывные частоты для DX-экспедиций (в кГц): 1828.5, 3505, 7005, 7065,10110, 14025, 14195, 18075, 18145, 21025, 21295, 24895, 24945, 28025, 28495 -и вызывные частоты для QRP-станций (в…….
