Варистор

Металлооксидный варистор производства Siemens & Halske AG.

Схематическое обозначение современного варистора, такое же, как обозначение термистора.

Варистор резистор , (также известный как зависящий от напряжения (VDR) ) — это защищающий от перенапряжения электронный компонент, , электрическое сопротивление которого меняется в зависимости от приложенного напряжения. Он имеет нелинейную , неомическую вольт -амперную характеристику , аналогичную диоду . Однако, в отличие от диода, он имеет одинаковые характеристики для обоих направлений проходящего тока. Традиционно варисторы действительно конструировались путем соединения двух выпрямителей , таких как выпрямитель из оксида меди или выпрямителя из оксида германия, в антипараллельной конфигурации. При низком напряжении варистор имеет высокое электрическое сопротивление, которое уменьшается с увеличением напряжения. Современные варисторы в основном основаны на спеченных керамических металлооксидных материалах, которые проявляют направленное поведение только в микроскопическом масштабе. Этот тип широко известен как металлооксидный варистор ( MOV ).

Варисторы используются в качестве элементов управления или компенсации в цепях либо для обеспечения оптимальных условий работы, либо для защиты от чрезмерных переходных напряжений . При использовании в качестве защитных устройств они отводят ток, создаваемый чрезмерным напряжением, от чувствительных компонентов при срабатывании.

Название «варистор» представляет собой комбинацию переменных резисторов . Этот термин используется только для неомических переменных резисторов. Переменные резисторы , такие как потенциометр и реостат , имеют омические характеристики.

История

Разработка варистора как выпрямителя нового типа на основе слоя оксида меди (Cu ₂ O) на меди началась в работах Л. О. Грондаля и П. Х. Гейгера в 1927 году.

Медно-оксидный варистор имел различное сопротивление в зависимости от полярности и величины приложенного напряжения. Он был изготовлен из небольшого медного диска, на одной стороне которого был сформирован слой оксида меди. Такое расположение обеспечивает низкое сопротивление току, протекающему от полупроводникового оксида к медной стороне, но высокое сопротивление току в противоположном направлении, при этом мгновенное сопротивление непрерывно меняется в зависимости от приложенного напряжения.

В 1930-х годах небольшие многоваристорные сборки с максимальным размером менее одного дюйма и, по-видимому, с неограниченным сроком службы нашли применение для замены громоздких электронных ламповых схем в качестве модуляторов и демодуляторов в системах несущего тока для телефонной передачи.

Другие применения варисторов на телефонном заводе включали защиту цепей от скачков напряжения и шума, а также подавление щелчков на элементах приемника ( наушника ) для защиты ушей пользователей от хлопающих шумов при переключении цепей. Эти варисторы были сконструированы путем укладки четного числа выпрямительных дисков в стопку и соединения концов клемм и центра во встречно-параллельной конфигурации, как показано на фотографии варистора Western Electric Type 3B, сделанного в июне 1952 года (ниже).

• 
  Варистор Western Electric 3B, изготовленный в 1952 году для использования в качестве подавителя щелчков в телефонных аппаратах.
• 
  Схема традиционной конструкции варисторов, используемых в качестве подавителей щелчков в телефонии.
• 
  Традиционное условное обозначение варистора, используется сегодня для диака . Он выражает поведение диода в обоих направлениях тока.
• 
  Варистор Western Electric Type 44A для подавления щелчков, установленный на элементе телефонной трубки U1 1958 года выпуска.

В телефонном аппарате Western Electric типа 500 1949 года была представлена ​​схема динамического выравнивания контура с использованием варисторов, которые шунтировали относительно высокие уровни контурного тока на коротких контурах центрального офиса для автоматической регулировки уровней передаваемого и принимаемого сигнала. В длинных контурах варисторы сохраняли относительно высокое сопротивление и существенно не изменяли сигналы.

Другой тип варистора был изготовлен из карбида кремния (SiC) Р.О. Грисдейлом в начале 1930-х годов. Его использовали для защиты телефонных линий от молний.

В начале 1970-х годов японские исследователи признали полупроводниковые электронные свойства оксида цинка (ZnO) полезными в качестве варистора нового типа в процессе спекания керамики , который демонстрировал функцию напряжение-ток, аналогичную функции пары встречно-токовых проводов. назад Стабилитроны . Этот тип устройства стал предпочтительным методом защиты цепей от скачков напряжения и других разрушительных электрических помех и стал известен как металлооксидный варистор (MOV). Хаотичность ориентации зерен ZnO в объеме этого материала обеспечила одинаковые вольт-амперные характеристики для обоих направлений протекания тока.

Состав, свойства и работа металлооксидного варистора

Зависимость тока варистора от напряжения для устройств из оксида цинка (ZnO) и карбида кремния (SiC)

Наиболее распространенным современным типом варисторов является металлооксидный варистор (MOV). Этот тип содержит керамическую массу зерен оксида цинка (ZnO) в матрице из оксидов других металлов, таких как небольшие количества оксидов висмута, кобальта, марганца, зажатых между двумя металлическими пластинами, которые составляют электроды устройства. Граница между каждым зерном и соседним образует диодный переход, который позволяет току течь только в одном направлении. Накопление случайно ориентированных зерен электрически эквивалентно сети пар диодов, включенных спина к спине, каждая пара которых включена параллельно со многими другими парами.

Когда на электроды подается небольшое напряжение, течет лишь небольшой ток, вызванный обратной утечкой через диодные переходы. При приложении большого напряжения диодный переход выходит из строя из-за сочетания термоэлектронной эмиссии и туннелирования электронов , что приводит к протеканию большого тока. Результатом такого поведения является нелинейная вольт-амперная характеристика, при которой варистор имеет высокое сопротивление при низких напряжениях и низкое сопротивление при высоких напряжениях.

Электрические характеристики

Варистор остается непроводящим как устройство с шунтирующим режимом во время нормальной работы, когда напряжение на нем остается значительно ниже его «напряжения ограничения», поэтому варисторы обычно используются для подавления скачков напряжения в сети. Варисторы могут выйти из строя по одной из двух причин.

Катастрофический отказ возникает из-за неспособности успешно ограничить очень большой скачок напряжения в результате такого события, как удар молнии , когда задействованная энергия на много порядков превышает ту, которую может выдержать варистор. Следящий ток, возникающий в результате удара, может расплавить, сжечь или даже испарить варистор. Этот тепловой разгон происходит из-за несоответствия отдельных зернограничных переходов, что приводит к выходу из строя основных путей тока при термическом напряжении, когда энергия переходного импульса (обычно измеряемая в джоулях ) слишком высока (т.е. значительно превышает «Абсолютные максимальные значения производителя»). Вероятность катастрофического отказа можно снизить, увеличив номинал или используя параллельно специально подобранные MOV.

Кумулятивная деградация происходит по мере увеличения количества скачков напряжения. По историческим причинам многие MOV были указаны неправильно, что позволяло частым перенапряжениям также снижать пропускную способность. В этом состоянии варистор не имеет видимых повреждений и внешне выглядит работоспособным (нет катастрофического отказа), но больше не обеспечивает защиты. В конце концов, он переходит в состояние короткого замыкания, поскольку энергетические разряды создают проводящий канал через оксиды.

Основным параметром, влияющим на срок службы варистора, является его энергетический показатель (Джоуль). Увеличение номинальной энергии увеличивает количество (определенный максимальный размер) переходных импульсов, которые он может принять экспоненциально, а также совокупную сумму энергии от ограничения меньших импульсов. По мере возникновения этих импульсов «напряжение ограничения», которое он обеспечивает во время каждого события, уменьшается, и варистор обычно считается функционально ухудшенным, когда его «напряжение ограничения» изменяется на 10%. В диаграммах ожидаемого срока службы производителя указаны ток , серьезность и количество переходных процессов, что позволяет прогнозировать отказы на основе общей энергии, рассеиваемой в течение срока службы детали.

В бытовой электронике, особенно в устройствах защиты от перенапряжений , размер используемого варистора MOV достаточно мал, поэтому в конечном итоге можно ожидать выхода из строя. В других приложениях, таких как передача энергии, используются АРВ различной конструкции в различных конфигурациях, рассчитанных на длительный срок службы.

Номинальное напряжение

Варистор высокого напряжения

MOV указаны в соответствии с диапазоном напряжений, который они могут выдерживать без повреждений. Другими важными параметрами являются номинальная энергия варистора в джоулях, рабочее напряжение, время срабатывания, максимальный ток и напряжение пробоя (зажима). Энергетический рейтинг часто определяется с использованием стандартизированных переходных процессов , таких как 8/20 микросекунд или 10/1000 микросекунд, где 8 микросекунд — это время фронта переходного процесса, а 20 микросекунд — время до половины значения.

Емкость

Типичная емкость варисторов потребительского размера (диаметром 7–20 мм) находится в диапазоне 100–2500 пФ. Доступны варисторы меньшего размера и меньшей емкости с емкостью ~ 1 пФ для микроэлектронной защиты, например, в сотовых телефонах. Однако эти варисторы с низкой емкостью не способны выдерживать большие импульсные токи просто из-за их компактного размера для монтажа на печатной плате.

Время отклика

Время отклика MOV не стандартизировано. Заявление о субнаносекундном отклике MOV основано на собственном времени отклика материала, но оно будет замедлено другими факторами, такими как индуктивность выводов компонента и метод монтажа. Это время отклика также считается незначительным по сравнению с переходным процессом, имеющим время нарастания 8 мкс, что дает достаточно времени для медленного включения устройства. При очень быстрых переходных процессах (время нарастания <1 нс) время отклика MOV находится в диапазоне 40–60 нс.

Приложения

Вилка в сборе со схемой защиты от перенапряжения

Типичный сетевого фильтра удлинитель построен с использованием MOV. В недорогих версиях может использоваться только один варистор, от горячего (активного, под напряжением) до нейтрального проводника. Более лучший протектор содержит как минимум три варистора; по одному на каждую из трех пар проводников. Некоторые стандарты требуют использования схемы с тройным варистором, чтобы катастрофический отказ MOV не создавал опасности возгорания.

Опасности

Хотя MOV предназначен для проведения значительной мощности в течение очень коротких периодов времени (от 8 до 20 микросекунд), например, вызванных ударами молнии, он обычно не способен проводить устойчивую энергию. При нормальных условиях сетевого напряжения это не проблема. Однако некоторые типы неисправностей в электросети могут привести к устойчивому перенапряжению. Примеры включают потерю нейтрального проводника или короткое замыкание линии в системе высокого напряжения. Приложение длительного перенапряжения к MOV может привести к сильному рассеянию энергии, что потенциально может привести к возгоранию MOV. Национальная ассоциация противопожарной защиты (NFPA) задокументировала множество случаев катастрофических пожаров, вызванных MOV-устройствами в ограничителях перенапряжения, и выпустила бюллетени по этому вопросу.

MOV на 130 В, 150 Дж, претерпевший катастрофический отказ, по-видимому, в результате удара молнии, со следами жары и дыма. Быстродействующий предохранитель на 3 А непосредственно перед варистором перегорел во время того же события.

Последовательно подключенный термопредохранитель является одним из решений катастрофического отказа MOV. Также доступны варисторы с внутренней тепловой защитой.

Следует отметить несколько проблем, касающихся поведения ограничителей скачков напряжения (TVSS), в состав которых входят варисторы, в условиях перенапряжения. В зависимости от уровня проводимого тока, рассеиваемого тепла может быть недостаточно, чтобы вызвать сбой, но это может привести к ухудшению состояния MOV-устройства и сокращению его срока службы. Если через MOV проходит чрезмерный ток, он может катастрофически выйти из строя и перейти в состояние разомкнутой цепи, при этом нагрузка будет оставаться подключенной, но теперь без какой-либо защиты от перенапряжения. У пользователя может не быть никаких признаков того, что ограничитель перенапряжения вышел из строя.

При правильных условиях перенапряжения и импеданса линии возможно возгорание MOV. основная причина многих пожаров что является основной причиной беспокойства NFPA, приведшего к UL1449 в 1986 году и последующим версиям в 1998 и 2009 годах. Правильно спроектированные устройства TVSS не должны выходить из строя катастрофически, вместо этого приводя к срабатыванию термопредохранителя или чего-то эквивалентного, что только отключает устройства MOV.

Ограничения

MOV внутри ограничителя скачков напряжения (TVSS) не обеспечивает полную защиту электрооборудования. В частности, он не обеспечивает защиту от постоянных перенапряжений, которые могут привести к повреждению этого оборудования, а также защитного устройства. Другие устойчивые и вредные перенапряжения могут быть ниже и поэтому игнорироваться устройством MOV.

Варистор не обеспечивает защиту оборудования от скачков пускового тока (при запуске оборудования), от перегрузки по току (создаваемой коротким замыканием) или от провалов напряжения ( провалов напряжения ); он не ощущает и не влияет на такие события. Восприимчивость электронного оборудования к этим другим помехам в электропитании определяется другими аспектами конструкции системы, либо внутри самого оборудования, либо снаружи с помощью таких средств, как ИБП, стабилизатор напряжения или сетевой фильтр со встроенной защитой от перенапряжения (который обычно состоит из цепи измерения напряжения и реле для отключения входа переменного тока, когда напряжение достигает опасного порога).

с другими подавителями

Другим методом подавления скачков напряжения является диод подавления переходного напряжения (TVS). Хотя диоды не обладают такой способностью выдерживать большие скачки напряжения, как MOV, диоды не ухудшаются из-за меньших скачков напряжения и могут быть реализованы с более низким «напряжением ограничения». MOV деградируют от многократного воздействия скачков напряжения и, как правило, имеют более высокое «напряжение зажима», чтобы утечка не ухудшала качество MOV. Оба типа доступны в широком диапазоне напряжений. MOV, как правило, больше подходят для более высоких напряжений, поскольку они могут проводить более высокие энергии при меньших затратах.

Другим типом подавителя переходных процессов является газотрубный подавитель. Это тип искрового разрядника , в котором может использоваться воздух или смесь инертных газов и часто небольшое количество радиоактивного материала, такого как Ni-63 , чтобы обеспечить более стабильное напряжение пробоя и сократить время срабатывания. К сожалению, эти устройства могут иметь более высокое напряжение пробоя и более длительное время отклика, чем варисторы. Однако они могут выдерживать значительно более высокие токи повреждения и выдерживать множественные удары высокого напряжения (например, молнии ) без существенного ухудшения качества.

Многослойный варистор

Многослойные варисторы (MLV) обеспечивают от электростатических разрядов защиту электронных схем от переходных процессов низкой и средней энергии в чувствительном оборудовании, работающем при 0–120 В постоянного тока. Они имеют пиковый ток от 20 до 500 ампер и пиковую энергию от 0,05 до 2,5 джоулей.

См. также

• Восстанавливающийся предохранитель , токочувствительное устройство.
• Трисил

Внешние ссылки

• Азбука MOV — рекомендации по применению от компании Littelfuse
• Тестирование варисторов от компании Littelfuse