Site Loader

Содержание

Варисторы TMOV со встроенной тепловой защитой в цепях переменного напряжения

24 октября 2019

Быстрое срабатывание встроенного терморазмыкателя TMOV-варистора производства Littelfuse позволяет отключать его при более низких температурах, что уменьшает вероятность обугливания и задымления по сравнению со стандартным варистором MOV-типа. В схемах, где критично знать, сработал ли терморазмыкатель, можно применять варисторы iTMOV со светодиодной индикацией состояния.

Металл-оксидные варисторы (MOV-варисторы) используются для подавления выбросов напряжения во многих устройствах, например, в модулях защиты от перенапряжений и сетевых фильтрах (SPD-устройствах), источниках бесперебойного питания (ИБП), в тройниках и удлинителях, в электросчетчиках и так далее. Источниками выбросов напряжения могут стать молнии, коммутации индуктивной нагрузки или переключения конденсаторных батарей.

При работе в штатном режиме напряжение в сети не должно превышать максимальное рабочее напряжение MOV-варистора. Однако при возникновении помехи напряжение на MOV-варисторе может превысить напряжение срабатывания. В таких случаях прибор включается и ограничивает выброс напряжения при условии, что мощность помехи не превышает мощность, которую способен рассеять MOV-варистор.

Иногда возможна ситуация, когда перенапряжение имеет не импульсный, а долговременный или постоянный характер. Если варистор будет долгое время находиться под таким напряжением при условии ограничения тока (как требует стандарт безопасности UL 1449), то он начнет разогреваться. Неограниченный разогрев может вызвать тепловой пробой и, как следствие, задымление и даже пожар. Чтобы устройство защиты соответствовало требованиям UL 1449, MOV-варистор должен иметь дополнительную защиту от таких катастрофических перегревов. До сих пор данная задача традиционно решалась с помощью термопредохранителей (TCO).

UL1449: Перенапряжения с ограничением тока

Для устройств, работающих в сетях переменного напряжения, обрыв соединения «ноль-земля» является опасной аварийной ситуацией. В таких случаях MOV-варистор может оказаться под напряжением, которое существенно превышает номинальное рабочее значение. Если ток в цепи будет неограниченным, то варистор сначала перейдет в низкоомное состояние (сопротивление упадет до нескольких Ом), а потом из-за мгновенного перегрева попросту сгорит, разорвав цепь. Однако если в цепи будет нагрузка, которая ограничит ток, то нагрев MOV-варистора окажется не таким стремительным, из-за чего нагреваться будет все устройство, возникнет задымление, а при неблагоприятном развитии ситуации возможен пожар.

В США используется сетевое напряжение 120 В AC. Силовые линии 120 В AC работают с фазовым сдвигом напряжения 180° и обычно подключены к трансформатору со средней точкой (рисунок 1). Предположим, что в верхней цепи 120 В присутствует MOV-варистор с номинальным рабочим напряжением 150 В, а в нижней цепи 120 В имеется некоторая нагрузка. И MOV, и нагрузка подключены к средней точке трансформатора (цепь «ноль-заземление»). Если на центральном отводе трансформатора (X-X) произойдет разрыв, то нагрузка в нижней фазе будет ограничивать ток, и сетевой предохранитель может не сработать. В этом сценарии MOV-варистор, рассчитанный на 150 В, окажется под повышенным напряжением (вплоть до 240 В) при ограниченном токе, что может привести к его тепловому разрушению.

Рис. 1. Вариант аварийной ситуации, в которой MOV-варистор испытывает перенапряжение при одновременном ограничении тока

Рассмотренный вариант аварийной ситуации определен в стандарте UL 1449 (таблица 1). По этой причине во многих приложениях требуется, чтобы MOV-варисторы имели дополнительную тепловую защиту.

В таблице 1 представлены уровни испытательных напряжений для SPD-устройств с различным рейтингом напряжения. Испытательное напряжение последовательно прикладывается к каждой паре проводников, после чего подаются кратковременные импульсы тока 10 А для устройств Type 1 и Type 2, и 5 А, 2,5 А, 0,5 А и 0,125 А для устройств Type 3. Поскольку этот тест приводит к необратимым разрушениям, то для проверки устойчивости к каждому из пяти токов короткого замыкания потребуется пять устройств. Устройства должны находиться под напряжением в течение 7 часов либо до тех пор, пока ток или температура в устройстве не достигнут равновесия или пока SPD не отключится.

Таблица 1. Испытательные напряжения для различных устройств

Рейтинг устройства* Подключение фаз Тестовое
напряжение**
Рейтинг напряжения проводящих линий, В
110…120 В Однофазное 240 Все
110…120 В/220…240 В Трансформатор со средней точкой 240 110…120
120 В/208 В «Звезда» 208 120
220…240 В Однофазное 415 Все
220…240 В/380…415 В «Звезда» 415 220…240
240 В «Треугольник» 240 120
254…277 В Однофазное 480 Все
254…277 В/440…480 В
«Звезда» 480 254…277
480 В «Треугольник» 480 254-277
347 В Однофазное 600 Все
347 В/600 В «Звезда» 600 347
Примечания:
* – Под устройством понимается конечный продукт: источник бесперебойного питания, сетевой фильтр и так далее.
** – Для устройств, рейтинг которых не указан в данной таблице, в качестве тестового напряжения должно использоваться максимальное фазное напряжение или удвоенное напряжение между проводниками, при условии, что оно не превышает 1000 В.

Как показано на рисунке 1, при испытании устройств, работающих в стандартной сети 120 В AC, необходимо подавать испытательное напряжение 240 В AC на все пары проводников. В данном случае есть три пары: «фаза-ноль» (L-N), «фаза-заземление» (L-G) и «ноль-заземление» (N-G). Здесь стоит еще раз отметить, что испытательное напряжение 240 В AC выбрано потому что в США линии сети 120 В AC обычно подключены к центральному трансформатору 240 В со средней точкой. В таких случаях MOV-варисторы, как правило, выбираются исходя из номинального рабочего напряжения 130…150 В. При возникновении аварии они могут перегреваться с катастрофическими последствиями в виде задымления или пожара.

MOV-варисторы с тепловой защитой

На рисунке 2 представлена простейшая схема защиты от выбросов напряжения, обеспечивающая требования UL 1449 при возникновении постоянных перенапряжений в условиях ограничения тока. В данной схеме между всеми линиями включены MOV-варисторы (или несколько параллельных MOV-варисторов): L-N, L-G и N-G. Это обеспечивает максимальную защиту от помех, возникающих во время переходных процессов в сети. Обычный последовательный плавкий предохранитель используется для защиты от перегрузки по току. Как правило, номинальный ток этого предохранителя выше, чем амплитуда испытательного тока, согласно UL 1449. Таким образом, при проведении испытаний на соответствие стандарту UL 1449 предохранитель не будет разрывать цепь. По этой причине MOV-варисторы должны быть дополнительно защищены от термического разрушения. Для этого последовательно с каждым варистором включается термопредохранитель TCO. В большинстве случаев для защиты от перенапряжений используют дисковые варисторы с диаметром 14 или 20 мм.

Рис. 2. Типовая схема защиты от перенапряжений с дополнительными TCO

На рынке присутствуют термопредохранители TCO с различной температурой срабатывания. Важно понимать, что положение и ориентация TCO имеет огромное значение для обеспечения тепловой защиты MOV-варистора. Под действием постоянного перенапряжения MOV-варистор может быть пробит в случайной точке на диске, после чего начнет быстро нагреваться, если ток в цепи ограничен. Тепло передается от MOV-варистора к TCO с помощью излучения, конвекции и тепловой проводимости. Однако, как показывает практика, именно теплопроводность имеет решающее значение. Таким образом, расстояние и взаимное расположение источника тепла и TCO определяют скорость срабатывания терморазмыкателя. Считается, что наиболее эффективная тепловая связь присутствует между выводом варистора и изолированным выводом TCO. Механизмы передачи тепла с помощью конвекции и излучения оказываются эффективными только в том случае, если источник тепла находится в непосредственной близости от TCO. Несмотря на то, что проводимость является наиболее эффективным средством передачи тепла, в большинстве случаев MOV-варистор и TCO не находятся в непосредственном контакте. Выводы компонентов мешают размещению TCO достаточно близко от MOV, что ограничивает передачу тепла. Кроме того, эффективность передачи тепла в каждом случае оказывается различной.

Пример взаимного расположения MOV и TCO показан на рисунке 3. Обратите внимание, что TCO не касается варистора.

Рис. 3. Взаимное расположение TCO и MOV (один из варисторов был удален, чтобы не мешать обзору)

Время срабатывания тепловой защиты может оказаться достаточно большим, если TCO размещен слишком далеко от MOV. В таких случаях при возникновении аварийной ситуации вполне вероятно обугливание варистора и реальная возможность пожара. Использование термоусадочных трубок или других теплопроводящих материалов позволяет увеличить эффективность тепловой связи, но с другой стороны, эти изделия сами достаточно горючи и могут только ухудшить ситуацию.

Несмотря на описанные недостатки, терморазмыкатели позволяют эффективно отключать MOV-варисторы от сети, тем самым предотвращая их тепловое разрушение. В то же время TCO оказываются не очень удобными компонентами с точки зрения монтажа на печатную плату. Из-за низких температур срабатывания пайка TCO должна выполняться крайне аккуратно. При ручной пайке жало паяльника не должно находиться в долгом контакте с выводами TCO. Иногда для отвода тепла от терморазмыкателя используют клипсы и плоскогубцы.

Так как TCO, используемые для защиты MOV-варисторов, обычно имеют невысокую температуру срабатывания, то их автоматизированный монтаж затруднен. При попытке пайки волной TCO срабатывают из-за перегрева в ванне с припоем. В большинстве случаев монтаж TCO оказывается преимущественно ручным процессом.

Компанией Littlefuse была разработана новая технология, которая, с одной стороны, позволяет обеспечить требования UL 1449, в том числе при испытаниях устойчивости к постоянным перенапряжениям в условиях ограничения тока, а с другой – лишена большинства недостатков, характерных для традиционных комбинированных схем MOV/TCO. Новые защитные компоненты TMOV представляют собой комбинацию из терморазмыкателя и MOV-варистора, объединенных в одном корпусе. В TMOV используется запатентованная технология, которая позволяет встраивать тепловой элемент непосредственно в MOV. В результате терморазмыкатель находится в прямом контакте с диском варистора, тем самым обеспечивая оптимальную теплопередачу. Так как эффективность передачи тепла оказывается высокой, то для защиты варистора может быть использован терморазмыкатель с более высокой температурой срабатывания. Это делает возможным использование автоматизированных технологий для монтажа TMOV, что существенно упрощает процесс сборки. Благодаря конструктивным особенностям, TMOV не уступают традиционным варисторам по основным параметрам: амплитуде пиковых токов, уровню рассеиваемой мощности, значениям напряжений ограничения и прочему, и при этом имеют встроенную тепловую защиту. Суть предлагаемого решения поясняется на рисунке 4.

Рис. 4. Схема защиты от перенапряжений, использующая новые варисторы TMOV со встроенной тепловой защитой

Сравнение методов тепловой защиты MOV-варисторов

TMOV-варисторы со встроенной тепловой защитой решают большую часть проблем, характерных для комбинации MOV/TCO. Использование встроенного терморазмыкателя, размещенного в центре диска MOV-варистора, обеспечивает несколько преимуществ:

  • оптимизирует передачу тепла между диском MOV и терморазмыкателем, так как терморазмыкатель оказывается максимально близко к точке нагрева. Это значительно уменьшает время срабатывания;
  • позволяет использовать терморазмыкатели с более высокой температурой срабатывания, чем у большинства TCO, притом, что сам терморазмыкатель оказывается защищен от внешних источников тепла.

Благодаря этому для монтажа TMOV-варисторов может использоваться пайка волной (подробнее об этом рассказывается в следующем разделе).

Чтобы сравнить время срабатывания TMOV-варисторов и комбинации MOV/TCO, были проведены испытания с привлечением стандартных MOV (серия UltraMOV 20 мм, 130 Vacrms), работающих в связке с TCO с различными температурами срабатывания (Tf), и TMOV со встроенной тепловой защитой (TMOV20R130, 20 мм, 130 Vacrms).

Все схемы подвергались одинаковому испытанию: к ним прикладывалось постоянное перенапряжение 240 В при ограничении тока 5 А. Как и ожидалось, у TCO с более высокой температурой Tf время срабатывания было выше (таблица 2). С другой стороны, при пайке TCO с температурой срабатывания 73°C было сложно избежать включения, несмотря на использование соответствующего радиатора. В таблице 3 представлены значения времени срабатывания для TMOV со встроенной тепловой защитой. Очевидно, что по этому показателю TMOV превзошли все комбинации MOV/TCO, принявшие участие в испытаниях.

Таблица 2. Время срабатывания тепловой защиты для различных комбинаций MOV/TCO при ограничении тока на уровне 5 А

TCO Tf, °C Время отключения, с
Среднее значение Диапазон
73 30 11…52
94 34 20…46
121 36 16…56

Таблица 3. Время срабатывания тепловой защиты варисторов TMOV при ограничении тока на уровне 5 А

TCO Tf, °C Время отключения, с
Среднее значение Диапазон
TMOV-варистор 13 2…25

На рисунке 5 представлены временные диаграммы нагрева варисторов при проведении испытаний на устойчивость к постоянным перенапряжениям с ограничением тока UL 1449 (240 В rms, 5 А) для трех схем защиты:

  • одиночный MOV – модель V20E130, 20 мм, 130 В ср.кв.;
  • комбинация MOV/TCO – модель V20E130, 20 мм, 130 В ср.кв. и TCO с Tf = 94°C;
  • варистор TMOV – модель TMOV20R130, 20 мм, 130 В ср.кв.

Рис. 5. Температура поверхности варисторов для различных схем защиты

На диаграммах показан характер изменения температуры поверхности варистора с течением времени для всех трех схем. Как видно из диаграммы, температура корпуса стандартного MOV-варистора без тепловой защиты будет расти до тех пор, пока варистор не загорится. В комбинации MOV/TCO варистор быстро нагревается до температуры 220°C, после чего срабатывает TCO. Варисторы TMOV со встроенной тепловой защитой отключаются значительно быстрее – срабатывание терморазмыкателя происходит при температуре около 150°C менее чем за 20 с. Обратите внимание, что температура варистора продолжает повышаться даже после срабатывания терморазмыкателей. Это связано с тем, что тепло передается от диска варистора наружу к эпоксидной заливке не мгновенно. Для того чтобы температура диска и заливки выровнялась, требуется некоторое время.

На рисунках 6а-6в показаны последствия перегрева варисторов для каждой из испытываемых схем защиты. На рисунке 6а показан результат перегрева стандартного MOV-варистора, на 6б изображено последствие перегрева MOV-варистора при использовании термопредохранителя TCO, рисунок 6в демонстрирует перегрев TMOV-варистора. Не сложно заметить, что в случае TMOV степень обугливания оказывается существенно ниже, чем при использовании одиночных варисторов или комбинации MOV / TCO.

Рис. 6. Результаты перегрева различных типов варисторов

Поскольку при производстве MOV- и TMOV-варисторов используются диски оксида цинка одинакового размера, то TMOV обеспечивают такой же уровень защиты от перенапряжений, что и MOV аналогичного размера, и соответствуют требованиям стандарта IEC 60950-1 (Приложение Q). Так как варисторы TMOV имеют встроенную защиту от перегрева, то при их использовании не требуется каких-либо внешних терморазмыкателей, которые необходимы при работе с обычными MOV-варисторами, согласно требованию пункта 1.5.9.2, МЭК 60950-1.

Использование пайки волной при монтаже TMOV

На рисунке 7 показан температурный профиль пайки волной, который можно использовать при монтаже TMOV-варисторов. Температурные показатели этого профиля являются типовыми для данного способа автоматизированного монтажа. В то же время допустимый температурный профиль для монтажа TCO оказывается существенно ниже. Фактически профиль, представленный для TCO, соответствует предельному варианту, при котором TCO выходит из строя (срабатывает). Это говорит о том, что для монтажа TCO (даже с высоким значением Tf, например, 142°C) не может использоваться пайка волной.

Уход от ручной пайки TCO позволяет обеспечить существенное снижение стоимости изделия.

Рис. 7. Температурные профили пайки волной для варистора TMOV и TCO (Tf = 142°C)

Надежное размыкание тепловой защиты

Срабатывание терморазмыкателя происходит из-за пробоя и дальнейшего нагрева диска варистора. После того как встроенный терморазмыкатель в TMOV сработает, важно, чтобы он оставался разомкнутым, а его повторные коммутации были исключены.

Чтобы проверить надежность размыкания цепи при срабатывании терморазмыкателя, было проведено испытание, состоящее из нескольких этапов. На первом этапе TMOV-варисторы подвергались воздействию перенапряжения с ограничением тока, в результате чего срабатывала тепловая защита. На втором этапе на выводы варисторов подавались импульсы 6 кВ, 3 кА (8×20 мкс). На третьем этапе на выводы TMOV-варисторов подавалось постоянное напряжение смещения, и при этом выполнялось измерение токов утечки. Наличие высокого тока утечки сигнализировало бы о ненадежном срабатывании терморазмыкателя или о его возвращении в замкнутое состояние. В ходе испытаний значительных токов утечки обнаружено не было. На заключительном, четвертом этапе TMOV-варисторы несколько часов выдерживались под напряжением 1000 В (ср.кв.) с параллельным контролем тока утечки. И на этот раз значительных токов утечки обнаружено не было, что свидетельствует о надежной работе терморазмыкателя.

Индикация срабатывания тепловой защиты: iTMOV-варисторы

Мы тщательно проанализировали преимущества TMOV-варисторов, но остается один вопрос: как узнать, что терморазмыкатель сработал?

При работе в диапазоне рабочих напряжений сопротивление ТMOV-варистора остается чрезвычайно высоким. Таким образом, сложно понять обусловлено ли высокое сопротивление собственным сопротивлением варистора или высокое сопротивление является следствием срабатывания тепловой защиты. Если данный вопрос является критичным, следует обратить свое внимание на серию варисторов iTMOV с дополнительным выводом индикации.

Варистор iTMOV имеет дополнительный, третий индикаторный вывод, который подключен к точке соединения терморазмыкателя и варистора. Доступ к этой точке существенно упрощает индикацию состояния терморазмыкателя. На рисунке 8 показана типовая схема включения iTMOV.

На рисунке 8 показано, как варистор iTMOV используется для защиты устройства, питающегося от бытовой сети 120 В AC в США. Светодиод включен между индикаторным выводом и нулем. Последовательный резистор R1 используется для задания тока через светодиод. В данном случае был выбран резистор с сопротивлением 47 кОм и предельной мощностью 0,5 Вт. Расчет параметров резистора должен производиться с учетом характеристик используемого светодиода и параметров сети.

Рис. 8. Схема индикации состояния iTMOV (светодиод нормально включен)

Как правило, светодиоды не допускают подачи обратного напряжения, поэтому для обрезания отрицательной полуволны обычно используется дополнительный выпрямительный диод D1. Кроме того, для защиты от перегрузки по току необходим предохранитель. В данном случае это Littelfuse 3AG, 10 A (313010). Выбор номинала предохранителя должен производиться, исходя из характеристик нагрузки.

В нормальных условиях светодиод находится в нормально включенном состоянии (светит). Ток течет от фазы к нулю через терморазмыкатель и индикаторную цепь. Если терморазмыкатель срабатывает, цепь размыкается, а светодиод выключается. Также светодиод выключится, если сгорит предохранитель.

Варистор iTMOV можно использовать для индикации состояния нескольких параллельно включенных TMOV-варисторов. Это связано с тем, что после отключения одного варистора, как правило, происходит отключение и остальных.

Заключение

Стандарт UL 1449 был создан для обеспечения защиты конечных устройств и пользователей от аварийных ситуаций, связанных с обрывом нуля. В таких случаях MOV-варисторы оказываются под постоянным перенапряжением в условиях ограничения тока. Перенапряжение может привести к неконтролируемому разогреву варистора и его тепловому пробою.

Существует несколько способов защиты MOV-варисторов от теплового разрушения. Чаще всего для этих целей используют термопредохранители TCO. Несмотря на то, что TCO в большинстве случаев справляются с поставленной задачей и предотвращают катастрофический перегрев варистора, у них есть значительные ограничения. При выполнении испытаний даже при срабатывании термопредохранителя MOV-варистор перегревается, из-за чего наблюдается задымление и обугливание. Еще одним недостатком TCO является сложность автоматизированного монтажа, так как в большинстве случаев пайка волной оказывается невозможна.

Новые TMOV-варисторы со встроенной тепловой защитой позволяют сократить количество компонентов, сэкономить место на плате и при этом обеспечить выполнение требований UL 1449. TMOV-варисторы обеспечивают повышенную эффективность по сравнению с другими методами защиты при воздействии постоянных перенапряжений с ограничением тока. Быстрое срабатывание встроенного терморазмыкателя TMOV позволяет отключать варистор при более низких температурах, что уменьшает вероятность обугливания и задымления. Остальные характеристики TMOV-варисторов оказываются такими же, как и у стандартных MOV-варисторов, включая пиковый импульсный ток, номинальную мощность и напряжение ограничения. В отличие от TCO, при монтаже TMOV-варисторов можно избежать ручных операций и использовать пайку волной. Это приводит к снижению стоимости производства и упрощению процесса сборки.

Важные примечания

Стоит отметить, что все представленные данные были получены при испытании ограниченной выборки компонентов. Результаты могут отличаться из-за разброса электрических и механических параметров. При выполнении проектирования разработчики должны учитывать разброс характеристик компонентов и закладывать соответствующие допуски.

В некоторых случаях TMOV-варисторы могут существенно нагреваться перед срабатыванием тепловой защиты. Конструкция конечного устройства должна учитывать эту особенность.

Перед выпуском на рынок рекомендуется выполнять тщательное тестирование устройств.

Литература

  1. Surge Protective Devices – UL1449, April 19, 2010
  2. Littelfuse Datasheet, Thermally Protected Metal Oxide Varistor (TMOV Varistor), March 2001
  3. TMOV®25S Varistor Series
  4. TMOV®34S Varistor Series
  5. Paul Traynham and Pat Bellew, Using Thermally Protected MOVs in TVSS or Power Supply Applications, Power Systems World, Intertec Exhibition Proceedings, September 2001
  6. Information Technology Equipment – Safety, IEC60950-1, Amendment 1, December 2009

Дополнительные материалы

Оригинал статьи

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

Варисторы как средство защиты радиоэлектронной аппаратуры

   Надежность работы радиоэлектронной аппаратуры во многом определяется качеством питающих электрических сетей, в которых могут иметь место перенапряжения длительностью от сотен миллисекунд до нескольких секунд, провалы напряжения длительностью до десятков миллисекунд, пропадания (отсутствие напряжения более одного периода) и так далее. На рис. 1 показаны наиболее часто встречающиеся неполадки в электросети и их процентное соотношение.

   Особенно опасны высоковольтные импульсы амплитудой до нескольких киловольт и длительностью от десятков наносекунд до сотен микросекунд. Именно они могут приводить к серьезным сбоям электронной аппаратуры и выходу ее из строя, а также быть причиной пробоя изоляции проводов и даже их возгорания.

   Импульсы напряжения, которые можно отнести к внешним сетевым помехам (рис. 2), возникают в различных цепях аппаратуры, в первую очередь, в проводах питания.

   Во-первых, они могут наводиться электромагнитными импульсами искусственного происхождения от передающих радиостанций, высоковольтных линий электропередач, сетей электрифицированных железных дорог, электросварочных аппаратов.

   Идентифицировать и систематизировать причины таких помех практически невозможно. Однако для бытовых электрических сетей напряжением 220 В приняты следующие ориентировочные параметры внешних импульсных напряжений:

  • амплитуда — до 6 кВ;
  • частота — 0,05…5 МГц;
  • длительность — 0,1…100 мкс.

   Во-вторых, они могут быть естественного происхождения и наводиться мощными грозовыми разрядами.

Рис. 2

   В-третьих, они могут создаваться статическим напряжением, разряд которого достигает 25 кВ. Высоковольтные импульсы способны возникать и в самой аппаратуре при ее функционировании в результате переходных процессов, при срабатывании электромагнитов, размыкании контактов реле, коммутации реактивных нагрузок и так далее. Наибольшую угрозу представляют импульсы, возникающие при отключении индуктивной нагрузки.

   По указанным причинам радиоэлектронная аппаратура должна быть защищена от высоковольтных импульсных помех. Чтобы аппаратура могла быть сертифицирована, она должна пройти проверку на устойчивость к воздействию импульсных помех. Например, ГОСТ Р 51317.4.4-99 (МЭК 61000-4-4-95) распространяется на электротехнические, электронные и радиоэлектронные изделия и устанавливает требования и методы их испытаний на устойчивость к наносекундным импульсным помехам (НИП).

   В настоящее время для защиты радиоэлектронной аппаратуры от внешних импульсных воздействий применяются различные виды экранировки, RC- и LC-фильтры, газоразрядные приборы (разрядники) и полупроводниковые ограничители напряжения (ПОН). К сожалению, разрядники не обладают необходимым быстродействием, а быстродействующие ПОН, с высокой нелинейностью вольтамперной характеристики (ВАХ) не способны рассеивать большую мощность из-за малого объема p-n-перехода. Это обуславливает резкое уменьшение допустимого тока в импульсе, протекающем через прибор.

   В последнее время наиболее эффективным средством защиты аппаратуры от любых импульсных напряжений признаны оксидно-цинковые варисторы. Варисторы [англ. varistor, от vari (able) — переменный и (resi) stor — резистор] — это нелинейные резисторы, сопротивление которых зависит от приложенного напряжения. Отличительной чертой варистора является двухсторонняя симметричная и резко выраженная нелинейная ВАХ (рис. 3).

Рис. 3

   Электрические характеристики варистора определяются большим сопротивлением утечки и емкостью, которая незначительно изменяется под воздействием напряжения и температуры.

   При больших напряжениях на варисторе, и соответственно, больших токах, проходящих через него, плотность тока в точечных контактах оказывается также большой. Разогрев точечных контактов приводит к уменьшению их сопротивления и, как следствие, к нелинейности ВАХ. Малые объемы активных областей обеспечивают малую инерционность тепловых процессов, что определяет их высокое быстродействие. Наряду с этим варисторы способны хорошо поглощать высокоэнергетические импульсы напряжения, так как тепловая энергия рассеивается не на отдельных зернах полупроводника, а на всем его объеме.

   Особенностью ВАХ варистора является наличие участка малых токов (условно от нуля до нескольких миллиампер), в котором находится рабочая точка варистора и участок больших токов, который определяет защитные свойства и, в частности, напряжение ограничения. В области малых токов ВАХ описывается выражением:

   I=AUβ,
где I — ток, A; U — напряжение, В; А — коэффициент, значение которого зависит от типа варистора и от температуры; β — коэффициент нелинейности, который характеризует крутизну ВАХ и определяется отношением статического сопротивления варистора (R = U/I) к дифференциальному (r = dU/dI) в определенной точке:

β=R/r = U/l·dl/dU.

   Экспериментально коэффициент нелинейности можно оценить по формуле:

   β= lgI2-lgI1/lgU2-lgU1 = lgI2/I1/lgU2/U1.

   Чаще всего коэффициент нелинейности определяется при токе 1 мА и 10 мА, поэтому:

   β=1/lgU2/U1.

   Для варисторов на основе оксида цинка коэффициент нелинейности обычно составляет 20…60. Варисторы имеют достаточно большую емкость (100…50000 пф) в рабочем режиме (когда нет импульсов напряжения). При воздействии импульса их емкость падает практически до нуля.

   Одной из важнейших характеристик варистора является классификационное напряжение — Uкл — напряжение на варисторе при токе, равном 1 мА. Иногда приводится коэффициент защиты варистора — отношение напряжения на варисторе при токе 100 А к напряжению при токе 1 мА (то есть к классификационному напряжению). Он характеризует способность варистора ограничивать импульсы перенапряжения и для варисторов на основе оксида цинка находится в пределах 1,4…1,6. Таким образом, при росте напряжения в 1,4…1,6 раза ток через них возрастает в 100 000 раз.

   Важной характеристикой варистора является допустимая мощность рассеивания, определяемая его геометрическими размерами и конструкцией выводов. Для увеличения мощности рассеивания часто применяют массивные выводы, играющие роль радиатора.

   При возникновении высоковольтного импульса сопротивление варистора резко уменьшается до долей Ома и шунтирует нагрузку, защищая ее и рассеивая поглощенную энергию в виде тепла. При этом через варистор может протекать импульсный ток, достигающий нескольких тысяч ампер. Так как варистор практически безынерционен, то после исчезновения помехи его сопротивление вновь становится большим. Таким образом, включение варистора параллельно защищаемому устройству не влияет на работу последнего в нормальных условиях, но гасит импульсы опасного напряжения (рис. 4).

   Выбор типа варистора осуществляется на основе анализа его работы в двух режимах: в рабочем и импульсном. Рабочий режим определяется классификационным напряжением Uкл, а импульсный — рассеиваемой мощностью. Для ориентировочных расчетов рекомендуется, чтобы рабочее постоянное напряжение на варисторе не превышало 0,85 Uкл, а при переменном токе действующее значение рабочего напряжения не превышало 0,6 Uкл.

   В импульсном режиме через варистор протекает большой ток, вследствие чего необходимо опасаться выхода его из строя из-за перегрева. С этой целью необходимо использовать варисторы с рассеиваемой мощностью большей, чем расчетная.

   Для расчета варисторов, защищающих те или иные цепи от грозового разряда, иногда приводят сведения о напряжении на варисторе при воздействии стандартного грозового импульса. На рис. 5 показана форма этого импульса, который часто называют «импульсом 8/20 мкс».

   Очевидно, что варисторы могут работать и при последовательном включении. При этом в них протекает одинаковый ток, а общее напряжение делится пропорционально сопротивлениям (в первом приближении — классификационным напряжениям), в той же пропорции разделится поглощаемая энергия. Сложнее обеспечить параллельную работу варисторов — необходимо строгое совпадение их ВАХ. Эта задача вполне разрешима при последовательно-параллельной схеме включения — т.е. варисторы последовательно собираются в столбы, а столбы соединяются параллельно. При этом подбором варисторов обеспечивают совпадение ВАХ столбов, которые собираются в блоки с нужными параметрами. Варисторы изготавливаются в обычном исполнении (дисковые, прямоугольные), в виде блоков различной формы и в виде чипов, что позволяет существенно экономить место на печатной плате (рис. 6).

   Отечественные предприятия выпускают варисторы для различных сфер применения, это серии СН, ВР, МЧВН/ВС, МОВН/ВС и другие.

   Из зарубежных производителей варисторов большую номенклатуру выпускает компания EPCOS. Ее приборы имеют следующую систему обозначений:

Чип и прямоугольные варисторы


SIOV- CN 1210 M 4 G

Варистор_________________________|
Тип варистора(CN,CU,SR)_______________|
Размер__________________________________|
Точность: K-10%, M-20%_______________________|
Классификационное напряжение__________________|
Тип упаковки_____________________________________|

Дисковые варисторы


SIOV S 14 K 250 G5 S6

Варистор________________________|
Тип варистора(S,B25 и др.)___________|
Диаметр варисторного диска_____________|
Точность: K-10%, M-20%__________________|
Классификационное напряжение______________|
Тип упаковки_________________________________|
Тип формовки выводов___________________________|

   Другие зарубежные компании-производители часто используют следующую систему обозначений выпускаемых варисторов:

DNR 0,5 D 181 M R S

Производитель________________________________________________|
Диаметр в мм, может быть 0,5;0,7;10;14;20______________________________|
Дисковый варистор____________________________________________________|
Классификационное напряж. (расшиф.»18″ и «0»= 180 В)_______________________|
Точность:J=5%, K-10%, M-20%________________________________________________|
Упаковка(R-катушка, В-россыпь)________________________________________________|
Выводы (S-прямые, К-формованные)______________________________________________|

Рис. 6

Таблица 1

Типы варисторов
Параметры
ЧипДисковыеАвтомобильные
CNCUSSRCN-
AUTO
SU-
AUTO
S-
AUTO
SR-
AUTO
Импульсный ток (8/20 мкс), кА1,21012
Поглощаемая энергия, Дж234101225100
Средняя рассеиваемая мощность, Вт0,251,00,030,2
Время срабатывания, нс
Рабочая температура,
°С
-55..125-40..85-40..+85-55..125-40..85-55..125-40..85
Типоразмер0603..220
0
3225; 032SO5..S2O1210; 22200805..2220S07..S201210; 1812; 2200

   В табл. 1, 2 приведены параметры оксидно-цинковых варисторов, выпускаемых компанией EPCOS.

Рис. 7

Таблица 2

Типы варисторов
Параметры
Для тяжелых условийБлокиКомбинированные
В25; ВЗО; 40; LS40В6ОВ80PD80Е32SHCV-SR1, SR2
Импульсный ток (8/20 мкс), кА4070100100651
Поглощаемая энергия, Дж120030006000600012
Средняя рассеиваемая мощность, Вт1,41,62,02,00,03
Время срабатывания, нс
Рабочая температура °С-40…85-40…85-40…85-40…85-25…60-40…85

   В заключение следует отметить, что для эффективной защиты аппаратуры от воздействия различных сетевых помех необходимо использовать сетевые фильтры с многоступенчатой защитой. Например, в сетевом фильтре «АРС PowerManager» (рис. 7) массивные стержневые индукторы 1 обеспечивают фильтрацию электромагнитных помех, оксидно-цинковые варисторы 2 обеспечивают общий и нормальный режимы защиты от высоковольтных импульсов, а конденсаторы 3 фильтруют радиочастотные помехи и выравнивают слабые и средние колебания напряжения.

Сопротивление — варистор — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 3

Сопротивление — варистор

Cтраница 3

Сопротивление варистора, включенного параллельно обмотке реле при номинальном напряжении источника питания, обычно достаточно велико, но после размыкания цепи сопротивление варистора автоматически уменьшается по мере нарастания напряжения на его зажимах, ограничивая величину перенапряжения на контактах. Поэтому варистор потребляет в статическом режиме очень малую мощность и значительно меньше замедляет время работы реле, чем линейное искрогасящее сопротивление.  [31]

В схеме рис. 3 — 41, а на варистор Rr, через конденсатор Се с обмотки ТВС подаются импульсы обратного хода положительной полярности. Сопротивление варистора СН1 — 1 — 1300 уменьшается при большом приложенном напряжении, поэтому конденсатор С6 заряжается вершинами импульсов обратного хода.  [32]

Ва-ристоры — это полупроводниковые приборы с симметричными нелинейными вольт-амперными характеристиками, применяющиеся в качестве малоинерционных нелинейных сопротивлений. Сопротивление варистора в диапазоне низких частот чисто активное и изменяется под действием приложенного к нему напряжения. С увеличением напряжения оно уменьшается. Варисторы применяются для стабилизации напряжения, защиты от перенапряжений, в стабилизаторах тока, функциональных преобразователях и других устройствах автоматики и радиоэлектроники.  [33]

При использовании варистора в цепи компенсации ( рис. 49) эффективность ключевой системы АРУ значительно увеличивается. Сопротивление варистора R &, включенного между источником напряжения ив и анодной цепью ключевой лампы, велико для того небольшого напряжения, которое действует во время переходного процесса включения строчной развертки. Поэтому компенсации запирающего напряжения не происходит и канал УПЧ звука находится в запертом состоянии. Когда напряжение it / B достигает своего номинального значения, сопротивление варистора резко уменьшается и канал УПЧ звука отпирается практически одновременно с появлением изображения. Варистор Rs включен для стабилизации напряжения в точке А. Такая стабилизация исключает влияние случайных колебаний напряжения UB на усиление каскада УПЧ.  [35]

Включение параллельно обмотке варистора, сопротивление которого автоматически уменьшается по мере нарастания напряжения а его зажимах ( рис. 5.296), влияет на / отп в меньшей степени, чем линейное сопротивление. В статическом режиме сопротивление варистора велико, и поэтому дополнительный расход энергии незначителен.  [36]

Таким образом, отрицательная полуволна напряжения, показанная на рис. 3 — 17 6, не приведет к появлению большого тока через варистор, а положительные импульсы зарядят конденсатор С. В промежутке между импульсами сопротивление варистора очень велико и конденсатор Ci будет ( через резистор Rz) заряжать конденсатор Cz. Одновременно цепь ЛгС2 выполняет роль сглаживающего фильтра, благодаря чему напряжение на выходе схемы постоянно и пропорционально амплитуде входных импульсов.  [37]

Схема включения варистора приведена на рис. 5.11, а. С увеличением приложенного напряжения сопротивление варистора уменьшается, а ток, протекающий в цепи, нарастает. Основной особенностью варистора является нелинейность его вольтамперной характеристики ( рис. 5.11, б), которая объясняется явлениями, происходящими на контактах и на поверхности кристаллов карбида кремния.  [39]

Схема, показанная на рис. 10 — 28, а, не позволяет отключить цепь от питающего напряжения при разомкнутых контактах. При возрастании напряжения на обмотке сопротивление варистора уменьшается и он ограничивает дальнейшее увеличение напряжения на контактах.  [41]

Стабилизация размера строк производится с помощью вари-стора R3, включенного последовательно с конденсатором Ст. При увеличении тока и напряжения импульсов сопротивление варистора уменьшается и увеличивается заряд конденсатора С7, отрицательное смещение на сетке Л2 возрастает, анодный ток лампы и ток в катушках уменьшаются.  [42]

Величина отрицательного напряжения на первой сетке оказывается связанной с размахом импульсов обратного хода. Резистор 3R16 позволяет в известных пределах регулировать сопротивление варистора в проводящем направлении и используется для подбора величины напряжения на втором аноде кинескопа.  [43]

Это свойство варисторов связано а уменьшением контактного сопротивления между зернами карбида кремния под действием электрического поля. Таким образом, по мере повышения напряжения сопротивление варистора уменьшается.  [45]

Страницы:      1    2    3    4    5

Варисторная защита, искрогасящие цепи, назначение, технические характеристики, схемы применения.

Назначение. Для защиты электрической сети от перенапряжения существуют различные приборы, выпускаемые промышленностью в разных странах. А для защиты от кратковременных бросков элементов схем, которые происходят в сети по различным причинам, применяют так называемые варисторы, у которых вольт-амперная характеристика резко меняется при прикладывании к нему величины напряжения, свыше определенного значения на которой рассчитан прибор.

 В повседневной жизни обычно мы не обращаем внимания, какие проблемы испытывает наше современное электронное оборудование, включенное в электрическую сеть. Для нормального функционирования приборов необходимо качественное напряжение, как по величине, частоте, так и по форме напряжения. Наше современная электронное оборудование стоит достаточно дорого, оно не всегда может противостоять скачкам напряжения, помехам возникающим в сети, поэтому вопросу защиты оборудование от подобного рода воздействий необходимо уделять внимание. Для защиты электронной техники применяются, ограничители перенапряжения, сетевые фильтры, стабилизаторы напряжения.

Из статьи авторы: Трегубов С.В., к.т.н.Пантелеев В.А., к.т.н.Фрезе О.Г

Применение варисторной защиты, искрогасящие цепи

..Причиной возникновения грозовых импульсов напряжения являются удары молнии в электроустановку или вблизи нее.
По данным материалов полученных в 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 вольтамперная 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.
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…

Технические характеристики

Для получения информации о характеристиках используемых варисторных защит, приводим данные выпускаемых изделий промышленностью.
Устройством защиты от импульсного перенапряжения АЛЬБАТРОС-220/500 АС обеспечивается:

  • Защита от импульсного, быстротекущего перенапряжения амплитудой до 10 кВ без перегорания предохранителя;
  • Защита от импульсного аварийного значительного превышения напряжения, в этом случае происходит перегорание одного или обоих предохранителей.
Номинальное напряжение питания нагрузки, В 220 (+10/-15%)
Номинальная мощность нагрузки, Вт 500
Наибольший импульсный разрядный ток (импульс 8/20 мкс)*, кА 10
Скорость срабатывания защиты, нс, не более 25
Температурный диапазон эксплуатации, °C -40… +40
Габаритные размеры, мм, не более 50х44х30
Масса, кг, не более 0,02

* 8 мкс — длительность нарастания импульса; 20 мкс — длительность спада импульса.

По теме полезное. Схема подключения варистора в сетевом фильтре. Советы: Схемы подключения

новое предложение от компании Bourns

Для некоторых приложений нужен определенный подход к подавлению электромагнитных помех (ЭМП), при котором требуется как собственно подавление ЭМП, так и защита от скачков напряжения, а точнее — поглощение их энергии. Обычно эту проблему решает использование двух компонентов — конденсатора для подавления излучаемой ЭМП и металлооксидного варистора для поглощения энергии броска напряжения. В настоящее время в портфеле предложений компании Bourns, широко известной на рынке дискретных компонентов для защиты цепей и решения проблем электромагнитной совместимости (ЭМС), появились уникальные компоненты — вариконы, в которых сочетаются преимущества варисторов (вари-) и конденсаторов (-кон). Эти компоненты типа «2 в 1» защищают приложения от скачков напряжения (варистор), решая вопросы ЭМС (конденсатор) и делая их отвечающими требованиям стандарта CISPR, при этом сокращаются габариты печатной платы. Статья знакомит читателей с двумя сериями вариконов: автомобильного (серия OV) и общего (серия MV) назначения.

Введение

Задача защиты — предотвращать или сводить к минимуму ущерб, вызванный скачком напряжения, при этом сама система защиты или защитный элемент должны срабатывать безопасным способом, а после снятия воздействия защищаемое оборудование, в свою очередь, должно вернуться в штатное рабочее состояние с минимальным перерывом по времени. К тому же при отсутствии возмущающих воздействий защита или используемые для ее реализации элемент (элементы) не должна мешать нормальному функционированию оборудования — другими словами, должно сохраняться то, что мы называем «целостность сигнала». Это может быть электропитание или линии передачи/приема данных.

Для целей защиты могут использоваться различные компоненты или их совокупности. До недавнего времени компания Bourns предлагала и предлагает [1]:

  • Семейства газовых разрядников (Gas Discharge Tubes, GDT), которые создают квазикороткое замыкание, когда при перенапряжении достигается ионизация наполняющего их газа, потом они опять возвращаются к состоянию высокого импеданса.
  • Семейство устройств защиты на основе тиристоров TISP, которые сначала ограничивают напряжение в линии, а затем переключаются в проводящее состояние при низком напряжении. После скачка напряжения, когда ток падает ниже тока удержания, устройство возвращается в исходное состояние высокого импеданса.
  • Семейство диодов подавления переходных напряжений (Transient Voltage Suppressor, TVS), которые работают за счет быстрого перехода от высокого импеданса к нелинейной характеристике сопротивления, ограничивающей скачки напряжения.
  • Семейство защитных устройств в виде многослойных варисторов (multilayer varistor, MLV). Эту серию отличают низкие токи утечки, которые делают устройства незаметными при нормальной работе.
  • Объемные силовые металлооксидные (Metal Oxide Varistor MOV) варисторы.

Основные характеристики защитных устройств можно оценить по таблице 1.

Таблица 1. Сравнительный анализ защитных ограничителей напряжения

Параметр Газовые разрядники Защитные тиристоры Варисторы объемные Обычные TVS-диоды Специальные TVS-диоды
Уровень пиковых токов высокий средний высокий средний средний
Минимальное напряжение включения, В 75 8 6 6 ~3
Точность напряжения включения низкая высокая низкая высокая высокая
Эффективность ограничения выбросов напряжения средняя высокая средняя высокая высокая
Типовая емкость, пФ ~1,5 ~30 ~1400 ~100 0,2
Соотношение «пиковый ток/габариты» низкое среднее высокое среднее высокое
Время срабатывания большое среднее большое малое сверхмалое

Рис. 1. Типовой металлооксидный варистор и его вольтамперная характеристика

Как можно видеть из таблицы 1, наиболее простым и экономически эффективным решением, если дело не касается высокоскоростных линий передачи данных, требующих минимальной емкости, здесь являются варисторы.

Что такое варистор? Название «варистор» (от англ. Varistor) составлено из двух частей VARI-able и resi-STOR (буквально: резистор с изменяемым сопротивлением, или, что более правильно, нелинейный резистор). Варисторы могут быть выполнены на основе карбида кремния (красные) и металлооксидные (синие), которые более распространены, конструкция типового варистора в общем виде и его вольтамперная характеристика показаны на рис. 1.

Металлооксидные варисторы (Metal Oxide Varistor, MOV) выполнены на основе оксида цинка (ZnO) с небольшим содержанием висмута, кобальта, магния и других элементов, образующих микрогранулы. В местах соприкосновения микрогранул варистора возникает эффект проводимости. Так как количество гранул в объеме варистора очень велико, абсорбируемая варистором энергия значительно превышает энергию, которая может пройти через единичный p-n-переход в диодах. В процессе протекания тока через варистор весь проходящий заряд равномерно распределяется по всему объему. Таким образом, количество энергии, которую может абсорбировать варистор, напрямую зависит от его объема и может достигать больших величин.

Кроме единичных, скажем так — самодостаточных устройств защиты, компания Bourns имеет в своем портфеле и комбинированные устройства. Инженерам Bourns удалось соединить в одном устройстве положительные свойства газового разрядника и объемного варистора. Это проприетарное решение было представлено в апреле 2019 года в виде инновационной линейки гибридных двунаправленных компонентов защиты от перенапряжения под торговым названием GMOV. В данном продукте инженеры компании объединили инновационную и компактную газоразрядную трубку (GDT) Bourns с технологией FLAT с MOV [2]. Не так давно портфель компании Bourns пополнился еще одними интересными гибридными устройствами — вариконами.

Вариконы — симбиоз варистора и конденсатора

Вариконы — это наследие от приобретенной компанией Bourns компании KEKO-Varicon d.o.o. Zuzemberk (Словения). За счет данного приобретения Bourns существенно расширил свое портфолио в сегменте металлооксидных и многослойных варисторов (MOV, MLV) и укрепил позиции в качестве одного из крупнейших производителей защитных компонентов.

Компания KEKO-Varicon — один из ведущих мировых производителей компонентов защиты от перенапряжения и подавления электромагнитных помех. Продукция компании разработана для широкого спектра применений в низковольтных приложениях, телекоммуникации, автомобильной электронике, линиях переменного тока и промышленного оборудования. Сочетание обширных технических знаний и современного оборудования позволяет KEKO-Varicon производить продукцию с высочайшим уровнем и почти 100%-ным выходом готовой продукции. Примеры продукции компании KEKO-Varicon, которые теперь доступны в портфеле заказов компании Bourns можно увидеть на рис. 2.

Компания KEKO-Varicon выпускала как стандартные радиальные дисковые варисто-ры общего применения, так и их специализированные серии [3]: многослойные SMD-варисторы для низковольтных применений, варисторы для автомобильной промышленности и медицинской техники, силовые ва-ристоры с высоким уровнем рассеиваемой энергии, а также интересующие нас в рамках данной статьи вариконы.

В технике иногда недостаток может оказаться или использоваться как несомненное достоинство. Если посмотреть на сравнительные данные, приведенные в таблице 1, то можно видеть, что варисторы имеют самою большую поглощаемую мощность импульса напряжения, но и самую большую собственную емкость, которая ограничивает их применение. Инженеры тогда еще самостоятельной компании KEKO-Varicon посмотрели на это под другим углом — а что если эту емкость увеличить и нормировать? В таком случае мы получим новый двухфункциональный элемент, который будет решать проблемы защиты от импульсов напряжения и подавления ЭМП. Так получился варикон (Varicon, VARI (stor) — варистор + COND (enser) — конденсатор), давший наименование компании. Для этого им потребовалось ни много ни мало соединить в одном корпусе варистор и многослойный керамический конденсатор, на первый взгляд — это просто, однако по факту — сложно. Кроме того, здесь необходимо уточнение: варикон не надо путать с созвучным ему варикон-дом — сегнетоэлектрическим конденсатором, емкость которого изменяется нелинейно в зависимости от приложенного напряжения, это совершенно разные компоненты и для разных целей.

Рис. 2. Внешний вид отдельных серий варисторов KEKO-Varicon, доступных ныне от компании Bourns

Рис. 3. Примеры типового использования вариконов серии MV компании Bourns: а) недопущение дуги при замыкании и размыкании контактов реле; б) защита полупроводниковых компонентов схемы — транзисторов и диодов; в) устранение помех от электродвигателей; г) подавление переходных процессов при выключении тиристора; д) стабилизация напряжения и поглощение бросков напряжения; е) защита транзисторов от подачи недопустимо высокого напряжения; ж) предотвращение акустического удара и защита пьезоизлучателя; з) защита от накопления статического электричества

Комбинированные варисторы со встроенным конденсатором применяются не только для поглощения энергии всплесков напряжения, но и для подавления сопутствующих им высокочастотных шумов и помех, как следствие, переходных процессов. Кроме того, они в определенной мере решают и вопросы электромагнитной совместимости (ЭМС), подавляя электромагнитные помехи (ЭМП) непосредственно самого приложения, например, коллекторного двигателя. Схемы включения вариконов, на примере использования вари-кона серии MV, общего назначения, показаны на рис. 3 [4] (кстати, обращаю ваше внимание, что в оригинале допущены ошибки!), а пример практического применения на рис. 4.

Рис. 4. Пример практического применения вариконов серии OV на щеточной плате двигателя постоянного тока и схема для управления привода сиденья автомобиля

Серии MV/OV

Вариконы серий MV и OV представляют собой защитные устройства двойного действия, которые защищают от бросков напряжения и от высокочастотного шума, заменяя два компонента — варистор низкого напряжения и конденсатор. Вариконы серии MV предназначены для широкого применения, работают в диапазоне постоянного напряжения 3-125 В (до 170 В по запросу) и как высокочастотные шунтирующие конденсаторы выполнены на основе диэлектрика X7R, имея диапазон емкостей 10 нФ — 1 мкФ. Также доступны более низкие значения емкости. Они предназначены для защиты самой различной радиоэлектронной аппаратуры электронных устройств, чувствительной к броскам напряжения и высокочастотным шумам, производимых электромеханическими устройствами, такими как зуммеры, реле, щеточные электродвигатели и т. п. (примеры на рис. 3).

Вариконы серии OV предназначены в первую очередь для применения в автомобильном оборудовании (пример на рис. 4).

Вариконы серии OV включают варистор, предназначенный для работы на автомобильных шинах напряжения постоянного тока 12, 24 и 42 В и имеют диапазон напряжений 16, 20, 26, 38 и 56 В. Встроенный в ва-риконды серии OV конденсатор фильтрации радиочастотных помех с емкостью на основе диэлектрика X7R имеет емкость в диапазоне 0,47-1,5 мкФ (более высокие значения емкости доступны по запросу), что делает их оптимальными для защиты и обеспечения требований в части ЭМС в целом ряде приложений автомобильной электроники.

Серии MV и OV представляет собой компоненты квадратной формы. Для серии MV доступны компоненты размером 6×8 мм с линейными выводами для монтажа в отверстия. Для серии OV доступны два стандартных размера 7,5×9 мм и 8×12 мм (меньшие размеры доступны по запросу). Они требуют очень небольшого пространства для установки, как правило, занимая площадь на 30% меньше, чем два отдельных компонента. По запросу вариконы этих серий также доступны в SMD-исполнении для поверхностного монтажа (рис. 5). Обе серии могут поставляться с классификацией согласно AEC-Q200 Grade 1 (-40___+ 125 °C) для использования в автомобильной индустрии, а серия OV способна выдерживать мощные импульсы при сбросе нагрузки в соответствии с требованиями SAE J1113. Основные технические характеристики вариконов серий MV и OV компании Bourns приведены в таблице 2. Полные технических характеристики вариконов серий MV и OV компании Bourns доступны в спецификациях [4, 5].

Полная номенклатура защитных компонентов, которой владела компания KEKO-Varicon и которая перешла к Bourns, приведена в каталоге [6]. К сожалению, каталог не обновлялся с 2015 года и в нем допущены ошибки, поэтому для уточнения следует обращаться либо напрямую к службе поддержки компании Bourns, либо к ее авторизованному дилеру. В любом случае отказываться от использования таких компонентов, как вариконы, не стоит, а объединение компаний KEKO-Varicon и Bourns несомненно даст новый толчок к развитию этого перспективного направления защитных элементов. Полная номенклатура защитных компонентов компании доступна по ссылке [7].

Рис. 5. Варианты исполнения вариконов серий MV и OV компании Bourns и их графический символ

Таблица 2. Основные технические характеристики коммерчески доступных вариконов серий MV и OV

Параметр Серия MV Серия OV
Непрерывный режим Приложенное установившееся напряжение
Диапазон напряжения постоянного тока (Vdc), В 3-170 16-56
Диапазон переменного напряжения (Vrms), В 2-130* 14-40
Импульсный режим Энергия сброса нагрузки (WLD), Дж - 6-12
Возможность запуска от внешнего источника — 5 мин (Vjump). В - 24-65
Непериодический импульсный ток, форма волны 8/20 мкс (Imax), А 150 800-1200
Энергия неповторяющихся всплесков напряжения, форма волны 10/1000 мкс (Wmax), Дж 0,1-2,5 2,4-10,5
Номинальная емкость конденсатора, нФ 10-1000 470-4700
ТКЕ конденсатора X7R
Рабочая температура окружающей среды, °С -40…+125
Температур хранения, °С -40…+150
Температурный коэффициент порогового напряжения, не более, %/°С +0,5
Сопротивление изоляции, не менее, ГОм 1
Допустимое напряжение изоляции, кВ, не менее 1,25
Время отклика, не более нс 25
Климатическая категория 40/125/56

Примечание. * Вариконы с номинальным напряжением 2—8 В являются нестандартными и доступны только по запросу.

Литература

1. Рентюк В. Элементы BOURNS для защиты от статического электричества и переходных процессов. В сб. «Электромагнитная совместимость в электронике». 2019.

2. Рентюк В. Комбинированный варистор компании BOURNS — эффективное решение проблемы защиты оборудования. В сб. «Электромагнитная совместимость в электронике». 2019.

3. Верхулевский К. Варисторы и конденсаторы Keko Varicon для автомобильных и промышленных применений // Компоненты и технологии. 2015. № 7.

4. MV Series — Low Voltage Dual Function Varicons. REV. A 01/20. https://www.bourns.com/docs/product-datasheets/mv_series.pdf?sfvrsn=22ed46f6_6

5. OV Series — Automotive Grade Dual Function Varicons. REV. A 01/20. https://www.bourns.com/docs/product-datasheets/ov_series.pdf?sfvrsn=eed46f6_6

6. Catalogue PROTECTIVE DEVICES. Edition 2015. http://www.keko-varicon.si/application/keko/upload/files/KEKO_OV.pdf 

7. www.bourns.com/products/circuit-protection/varistor-products

Опубликовано в сборнике «Электромагнитная совместимость в электронике» 2020 г. http://emc-e.ru


Варистор принцип работы: описание, характеристики

Автор Почемучка На чтение 14 мин. Просмотров 48

Всплески напряжения возникают в различных электрических схемах независимо от того, работают они от сети переменного или постоянного тока. Они часто возникают в самой схеме или поступают в нее от внешних источников. Высоковольтные всплески напряжения могут быстро нарастать и доходить до нескольких тысяч вольт, и именно от этих импульсов напряжения необходимо защищать электронные компоненты схемы.

Варистор является пассивным двухвыводным, твердотельным полупроводниковым прибором, который используется для обеспечения защиты электрических и электронных схем. В отличие от плавкого предохранителя или автоматического выключателя, которые обеспечивают защиту по току, варистор обеспечивает защиту от перенапряжения с помощью стабилизации напряжения подобно стабилитрону.

Слово «Варистор» является аббревиатурой и сочетанием слов «Varistor — variable resistor», резистор, имеющий переменное сопротивление, что в свою очередь описывает режим его работы. Его буквальный перевод с английского (Переменный Резистор) может немного ввести в заблуждения — сравнивая его с потенциометром или реостатом.

Но, в отличие от потенциометра, сопротивление которого может быть изменено вручную, варистор меняет свое сопротивления автоматически с изменением напряжения на его контактах, что делает его сопротивление зависимым от напряжения, другими словами его можно охарактеризовать как нелинейный резистор.

В настоящее время резистивный элемент варистора изготавливают из полупроводникового материала. Это позволяет использовать его как в цепях переменного, так и постоянного тока.


Варистор во многом похож по размеру и внешнему виду на конденсатор и его часто путают с ним. Тем не менее, конденсатор не может подавлять скачки напряжения таким же образом, как варистор.

Не секрет, что когда в цепи электропитания схемы какого-либо устройства возникает импульс высокого напряжения, то исход зачастую бывает плачевным. Поэтому применение варистора играет важную роль в системе защиты чувствительных электронных схем от скачков напряжения и высоковольтных переходных процессов.

Всплески напряжения возникают в различных электрических схемах независимо от того, работают они от сети переменного или постоянного тока. Они часто возникают в самой схеме или поступают в нее от внешних источников. Высоковольтные всплески напряжения могут быстро нарастать и доходить до нескольких тысяч вольт, и именно от этих импульсов напряжения необходимо защищать электронные компоненты схемы.

Один из самых распространенных источников подобных импульсов – индуктивный выброс, вызванный переключением катушек индуктивности, выпрямительных трансформаторов, двигателей постоянного тока, скачки напряжения от включения люминесцентных ламп и так далее.

Могут присутствовать и другие дополнительные символы, обычно указывают на производителя или особенность компонента.

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:

Поэтому совершенствование технологии изготовления варисторов во всем мире направлено на повышение их быстродействия.

Характеристики варисторов

Основными параметрами, которые используют при описании характеристик варисторов, являются:

От величины W зависит, как долго может действовать перегрузка (с максимальной мощностью Рт) без опасности повредить варистор, т. е.:

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 PCBWay — всего $5 за 10 печатных плат, первый заказ для новых клиентов БЕСПЛАТЕН.

  • Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет.
  • Скидки до 50% + подарки в честь празднования 6-го ювилея 2020!
  • · максимальное переменное напряжение. Так называется показатель переменного напряжения, по достижении которого включается защитный режим нелинейного резистора;

    Как работает варистор?

    На схеме варистор обозначается значком резистора, перечеркнутого по диагонали, что указывает на его нелинейность.

    Когда нелинейный резистор функционирует в обычном режиме, его сопротивление велико. Однако оно сильно снижается при возрастании напряжения выше номинальной величины, что приводит к значительному повышению тока. Таким образом, разность потенциалов удерживается на уровне, несколько превышающем номинал. Варистор, работающий в этом режиме, выполняет функцию стабилизации напряжения.

    Нелинейный резистор, будучи подключенным на входе электроцепи, добавляет к ее емкости собственную. Для устойчивой работы защищаемых приборов это необходимо учесть при проектировании линии.

    На рисунке представлена стандартная схема подключения варистора.

    Для правильного подбора защитного элемента важно знать мощность импульсов, имеющих место при переходных процессах, а также величину выходного сопротивления источника.

    От максимальной силы тока, которую нелинейный резистор способен пропустить через себя, зависит частота повторений выбросов напряжения, а также их длительность. Если она слишком мала для конкретной цепи, защитный элемент быстро придет в негодность из-за перегрева. Поэтому, чтобы варистор работал безотказно в течение длительного времени, он должен обеспечивать эффективное рассеивание импульсной энергии при переходном процессе. Затем деталь должна быстро возвращаться в исходное состояние.

    В этот момент сопротивление элемента скачкообразно изменяется на несколько порядков — уменьшается от изначальных десятков МОм до единиц Ом. И чем сильнее повышается приложенное напряжение — тем меньше и меньше становится сопротивление варистора. Данное свойство делает варистор главным элементом современных устройств защиты от импульсных перенапряжений.

    Варистором называется полупроводниковый компонент, способный нелинейно изменять свое активное сопротивление в зависимости от величины приложенного к нему напряжения. По сути это — резистор с такой вольт-амперной характеристикой, линейный участок которой ограничен узким диапазоном, к которому приходит сопротивление варистора при приложении к нему напряжения выше определенного порогового.

    В этот момент сопротивление элемента скачкообразно изменяется на несколько порядков — уменьшается от изначальных десятков МОм до единиц Ом. И чем сильнее повышается приложенное напряжение — тем меньше и меньше становится сопротивление варистора. Данное свойство делает варистор главным элементом современных устройств защиты от импульсных перенапряжений.

    Будучи подключен параллельно защищаемой нагрузке, варистор берет на себя ток помехи и рассеивает его в форме тепла. А по окончании данного события, когда приложенное напряжение снижается и возвращается за порог, варистор восстанавливает свое исходное сопротивление, и снова готов выполнять защитную функцию.

    Можно сказать, что варистор представляет собой полупроводниковый аналог газового разрядника, только у варистора, в отличие от газового разрядника, первоначальное высокое сопротивление восстанавливается быстрее, практически отсутствует инерционность, да и диапазон номинальных напряжений начинается от 6 и доходит до 1000 и более вольт.

    По этой причине варисторы находят широкое применение в защитных цепях полупроводниковых ключей, в схемах с индуктивными элементами (для искрогашения), а также в качестве самостоятельных элементов электростатической защиты входных цепей радиоэлектронных устройств.

    Процесс изготовления варистора заключается в спекании порошкообразного полупроводника со связующим компонентом при температуре в районе 1700 °C. Здесь в ход идут такие полупроводники как оксид цинка или карбид кремния. Связующим веществом может служить жидкое стекло, глина, лак или смола. На полученный путем спекания дискообразный элемент металлизацией наносят электроды, к которым и припаивают монтажные выводы компонента.

    Кроме традиционной дисковой формы, можно встретить варисторы в форме стержней, бусинок и пленок. Перестраиваемые варисторы изготавливают в форме стержней с подвижным контактом. Традиционные полупроводниковые материалы, применяемые в производстве варисторов на основе карбида кремния с разными связками: тирит, вилит, лэтин, силит.

    Внутренний принцип действия варистора заключается в том, что грани маленьких полупроводниковых кристаллов внутри связующей массы соприкасаются друг с другом, образуя проводящие цепочки. При прохождении через них тока определенной величины, наступает местный перегрев кристаллов, и сопротивление цепочек падает. Этим явлением и объясняется нелинейность ВАХ варистора.

    Один из главных параметров варистора, наряду со среднеквадратичным напряжением срабатывания, — коэффициент нелинейности, показывающий отношение статического сопротивления к динамическому. Для варисторов на основе оксида цинка данный параметр лежит в диапазоне от 20 до 100. Что касается температурного коэффициента сопротивления варистора (ТКС), то он обычно отрицателен.

    Варисторы компактны, надежны, хорошо справляются со своей задачей в широком диапазоне рабочих температур. На печатных платах и в УЗИП можно встретить маленькие дисковые варисторы диаметром от 5 до 20 мм. Для рассеивания более высоких мощностей применяются блочные варисторы с габаритными размерами 50, 120 и более миллиметров, способные рассеивать в импульсе килоджоули энергии и пропускать через себя токи в десятки тысяч ампер, при этом не терять работоспособности.

    Один из самых важных параметров любого варистора — время срабатывания. Хотя обычное для варистора время активации не превышает 25 нс, и в некоторых цепях этого достаточно, тем не менее кое-где, например для защиты от электростатики, необходима более быстрая реакция, не более 1 нс.

    В связи с данной потребностью, ведущие мировые производители варисторов направляют свои усилия именно в сторону повышения их быстродействия. Один из путей достижения данной цели — сокращение длины (соответственно индуктивности) выводов многослойных компонентов. Такие CN-варисторы уже заняли достойное место в деле защиты от статики выводов интегральных микросхем.

    Классификационное напряжение варистора DC (1mA) — является условным параметром, при данном напряжении ток через варистор не превышает 1 мА. Именно классификационное напряжение указывается в маркировке варистора.

    ACrms — среднеквадратичное переменное напряжение срабатывания варистора. DC – напряжение срабатывания на постоянном напряжении.

    Для получения большей рассеиваемой мощности допускается параллельное и последовательное включение варисторов. При параллельном включении важно подобрать варисторы максимально близкие по параметрам.

    Рис. 4. Результат увеличения напряжения в сети на продолжительное время

    Характеристики варистора

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

    Рис. 1. Фотография гранулярной структуры варистора, сделанная с помощью электронного микроскопа

    Симметричная ВАХ показана на рисунке 2. Благодаря ей варистор отлично справляется с подавлением скачков напряжения. Когда они появляются в цепи, сопротивление варистора уменьшается во множество раз: от почти непроводящего состояния до высокопроводящего, уменьшая импульс напряжения до безопасного для цепи значения. Таким образом, потенциально опасная для элементов цепи энергия входного импульса напряжения абсорбируется варистором и защищает компоненты, чувствительные к скачкам напряжения.

    Рис. 2. Симметричная ВАХ варистора

    Рассмотрим подробнее принцип работы варистора.

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

    Рис. 3. Схематическое изображение микроструктуры металл-оксидного варистора

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

    , (1)

    где d – средний размер гранулы.

    ,

    получаем данные, представленные в таблице 1.

    Таблица 1. Зависимость структурных параметров варистора от напряжения

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

    Рис. 4. Результат увеличения напряжения в сети на продолжительное время

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

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

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

    Таблица 3. Области применения варисторов Littelfuse

    Важный момент! Прежде, чем измерить сопротивление, убедитесь, что пальцы не касаются стальных наконечников щупов, в этом случае прибор покажет сопротивление кожного покрова.

    Пример реализации защиты

    На рисунке 4 показан фрагмент принципиальной схемы БП компьютера, на котором наглядно показано типовое подключение варистора (выделено красным).

    Рисунок 4. Варистор в блоке питания АТХ

    Судя по рисунку, в схеме используется элемент TVR 10471К, используем его в качестве примера расшифровки маркировки:

    • первые три буквы обозначают тип, в нашем случае это серия TVR;
    • последующие две цифры указывают диаметр корпуса в миллиметрах, соответственно, у нашей детали диаметр 10 мм;
    • далее идут три цифры, которые указывают действующее напряжение для данного элемента. Расшифровывается следующим образом: XXY = XX*10 y , в нашем случае это 47*10 1 , то есть 470 вольт;
    • последняя буква указывает класс точности, «К» соответствует 10%.

    Можно встретить и более простую маркировку, например, К275, в этом случае К – это класс точности (10%), последующие три цифры обозначают величину действующего напряжения, то есть, 275 вольт.

    И последняя схема предназначена для защиты переключателя (контактов) от искрения при включении электродвигателя.

    Принцип работы варистора

    В обычном рабочем состоянии варистор имеет высокое сопротивление. Всякий раз, когда переходное напряжение резко возрастает, сопротивление варистора тут же уменьшаться. Таким образом, он начитает проводить через себя ток, снижая тем самым напряжение до безопасного уровня.

    Существуют различные типы исполнения, однако варистор на основе окиси металла является наиболее часто используемым в электронных устройствах. Как было сказано выше, основное назначение варистора в электронных схемах — защита цепи от чрезмерного всплеска напряжения переходных процессов. Эти переходные процессы обычно происходят из-за разряда статического электричества и грозовых перенапряжений.

    Принцип работы варистора можно легко понять, взглянув на кривую зависимости сопротивления от приложенного напряжения.

    На графике выше видно, что во время нормального рабочего напряжения (скажем низкого напряжения) сопротивление его очень высоко и если напряжение превышает номинальное значение варистора, то его сопротивление начинает уменьшаться.

    Вольт-амперная характеристика (ВАХ) варистора показанная на рисунке выше. Из рисунка видно, небольшое изменение напряжения вызывает значительное изменение тока.

    Уровень напряжения (классификационное напряжение), при котором ток, протекающий через варистор составляет 1 мА, является уровнем, при котором варистор переходит из непроводящего состояния в проводящее. Это происходит потому, что, всякий раз, когда приложенное напряжение превышает или равно номинальному напряжению, происходит лавинный эффект, переводящий варистор в состояние электропроводности в результате снижения сопротивления.

    Таким образом, даже, несмотря на быстрый рост малого тока утечки, напряжение будет чуть выше номинального значения. Следовательно, варистор будет регулировать напряжение переходных процессов относительно приложенного напряжения.

    При замене неисправного варистора нужно учитывать следующее. Ставить варистор нужно того же диаметра, что и стоял, в некоторых случаях диаметр можно увеличить, например: вместо 14D471K можно поставить 20D471K. В этом случае он рассеит больше тепла и прослужит дольше.

    Проверка на исправность:

    Проверку варисторов следует начинать с внешнего осмотра. Любые сколы, трещины, почернения говорят о неисправности прибора. Следующий этап — проверка мультиметром. Щупы прикладывают к выводам и мерят сопротивление варистора. Сопротивление должно быть бесконечно высоким. Любые показания говорят о том, что прибор неисправен. Во время измерения не касайтесь руками выводов измеряемого прибора и мультиметра, иначе показания будут неверны.

    Можно измерить ёмкость варистора она приблизительно составляет 300 – 500pF. Можно также подать на варистор напряжение, на которое он рассчитан, и замерить протекающий через него ток.

    Если варистор подключить параллельно электроприбору, то при скачке напряжения вся нагрузка придется на него, а приборы останутся в безопасности.

    Справочник и маркировка варисторов

    Если необходима замена, на помощь придет справочник варисторов. Для начала нам потребуется маркировка варистора, она находится на самом корпусе в виде латинских букв и цифр. Хотя этот элемент производится во многих странах, маркировка не имеет принципиальных отличий.

    Другая маркировка s10k275. Показатель погрешности стоит перед напряжением, само напряжение показано без коэффициента — 275 В. Из рассмотренных примеров видим, как можно определить маркировку: измеряем диаметр прибора, находим эти размеры на варисторе, другие цифры покажут напряжение. Если определить маркировку не удается, например, kl472m, нужно будет посмотреть в интернете.

    Диаметр. Импортные tvr 10471 можно заменить на 10d471k, но быть осторожным с 7d471k, у последнего размер меньше. Чем больше значение, тем, грубо говоря, больше рассеиваемая мощность. Поставив прибор меньшего диаметра, рискуем его спалить. К примеру, серия 10d имеет рабочий ток 25А, а k1472m 50А.

    Чтобы правильно выбрать нужный элемент необходимо учитывать не только напряжение питания. Производят множество расчетов, например, выходя из нужного быстродействия (срабатывания), или малое рабочее напряжение. В этом случае используют так называемые защитные диоды. К ним можно отнести bzw04. При его применении важно соблюдать полярность.

    Помехоустойчивость. Одним из недостатков является создание помех. Для борьбы с ними используют конденсаторы, например, ac472m Подключают параллельно варистору.

    На схеме варистор обозначается как резистор, пустой прямоугольник с перечеркивающей под 45 градусов линией и имеет букву u.

    Источники

    Источник — http://www.joyta.ru/7117-varistor-princip-raboty-i-primenenie/
    Источник — http://samelectrik.ru/chto-takoe-varistor.html
    Источник — http://radiostorage.net/1419-varistory-princip-raboty-tipy-i-primenenie.html
    Источник — http://dip8.ru/articles/varistory-kak-rabotayut-osnovnye-kharakteristiki-i-parametry-skhema-podklyucheniya/
    Источник — http://electricalschool.info/electronica/2077-varistory-princip-deystviya-tipy-i-primenenie.html
    Источник — http://www.compel.ru/lib/76838
    Источник — http://www.asutpp.ru/kak-proverit-varistor-multimetrom-poshagovaya-instrukciya.html
    Источник — http://fornk.ru/1998-varistor-chto-eto-takoe-princip-raboty/
    Источник — http://arduinet.ru/varistory.html
    Источник — http://elektro.guru/polezno-znat/varistor-printsip-deystviya-proverka-i-podklyuchenie.html

    ЧЕМ ЗАЩИЩАЮТ РОЗЕТКИ | Дмитрий Компанец

    Varistor — variable resistor

    Varistor — variable resistor

    Чинил сегодня удлинитель с евророзетками, не дешевый и довольно хороший. В этикетках было заявлено «С индикацией и Защитой от всплесков сетевого напряжения». За ради познания «Как оно устроено?» разобрал полностью и посмотрел с помощью чего защищают розетки от сетевых всплесков — оказалось всего одна деталь — ВАРИСТОР.

    Варистор является пассивным двухвыводным, твердотельным полупроводниковым прибором, который используется для обеспечения защиты электрических и электронных схем. В отличие от плавкого предохранителя или автоматического выключателя, которые обеспечивают защиту по току, варистор обеспечивает защиту от перенапряжения с помощью стабилизации напряжения подобно стабилитрону.

    Даже удивительно как то, что маленький синий подобный конденсатору элемент способен выручить включенный телевизор или компьютер от сетевых всплесков.

    Включение варистора довольно сложное и описывать его нет смысла — Глядите сами ….

    Схема включения варистора

    Схема включения варистора

    Один из самых распространенных источников подобных импульсов – индуктивный выброс, вызванный переключением катушек индуктивности, выпрямительных трансформаторов, двигателей постоянного тока, скачки напряжения от включения люминесцентных ламп и так далее.

    Варисторы подключаются непосредственно к цепям электропитания (фаза — нейтраль, фаза-фаза) при работе на переменном токе, либо плюс и минус питания при работе на постоянном токе и должны быть рассчитаны на соответствующее напряжение.

    Изготавливается варистор из смеси керамики и оксидов металлов , в основном из оксида цинка и в нормальном состоянии не проводит ток, что позволяет использовать его как конденсатор и обязательно нужно учитывать при применении в цепях переменного тока.

    Меня очень удивило, что в данном удлинителе Варистор не был запакован в термоусадочную пленку или обмотку, ведь при коротком замыкании (при перенапряжении) его корпус может воспламениться или взорваться, разрушив тем самым устройство в которое он установлен.

    Расчет варистора для применения в сети 220 вольт сводится к определению возможных опасных пиков. Так к примеру для пиков в 300 вольт, которые могут присутствовать в бытовой сети расчет следует провести по формуле 300*1,42*1,1 где 1,42 это «постоянная электрика», а 1,1 это 10% запас на прочность. 300*1,42*1,1 = 471 (примерно) это то самое классификационное напряжение или номинальный уровень начиная с которого ток через варистор уже более 1 мА

    По справочнику можно увидеть, что в проводящем состоянии варистор пропускает через себя ток до 4500 Ампер 4,5кА при этом любой автомат защиты сработает и предохранители сгорят, эдакое КЗ для защиты ваших приборов.

    Нравится вам это или нет, но во многих удлинителях стоит именно такая защита от скачков напряжения.

    Берегите ваши розетки !

    Компанец д.А.

    Варисторы: броня для ваших схем

    [Изображение вверху] Как предотвратить перегорание электроники? С момента их коммерческого внедрения в 1970-х годах варисторы являются предпочтительными устройствами для защиты чувствительных электронных схем. Предоставлено: тепловая проблема, Flickr (CC BY-NC-SA 2.0)

    .


    Запахи вызывают сильные воспоминания. Сладкий запах печенья с шоколадной крошкой: хорошие воспоминания. Сладкий фенольный запах перегрева электрических цепей: не очень хорошо.

    Как броня защищает владельца от оружия, используются специальные устройства для защиты электрических цепей от высокого напряжения и больших токов. К таким устройствам относятся предохранители, автоматические выключатели и переменные резисторы на основе оксидов металлов (MOV).

    MOV

    , также называемые варисторами, являются предпочтительными устройствами для чувствительных электронных схем с момента их коммерческого внедрения в 1970-х годах. При низких приложенных напряжениях варисторы представляют собой омические элементы с высоким сопротивлением, что означает, что ток через них практически не протекает.Но как только пороговое напряжение, также известное как напряжение фиксации или напряжение пробоя, превышено, варистор переключается на элемент с высокой проводимостью, который позволяет току обходить чувствительную электронику, подобно тому, как водослив откачивает излишки воды из плотины в условиях паводка. Как только напряжение падает ниже порогового уровня, варистор возвращается в резистивное состояние.

    Эта коммутационная способность дает два очевидных преимущества по сравнению с предохранителями или автоматическими выключателями:

    1. Схема продолжает работать даже в неидеальных условиях.
    2. Для сброса системы ручное вмешательство не требуется.

    Несмотря на то, что технологии MOV уже более 40 лет, исследования по-прежнему активно проводятся сегодня, чтобы улучшить как производство, так и производительность.

    Критерии качества варисторов

    MOV

    обычно состоят из оксида цинка, легированного висмутом, кобальтом, марганцем и другими функциональными оксидами металлов. Как и в случае с большинством керамических устройств, производители стремятся снизить производственные температуры и продолжительность цикла, чтобы использовать меньше топлива и более дешевые материалы для электрических контактов, одновременно увеличивая темпы производства.Температура спекания до 1250 ° C требует использования дорогих контактных материалов, таких как палладий. Снижение температуры спекания ниже 950 ° C позволяет использовать вместо этого серебро.

    Недавние статьи, опубликованные в журналах ACerS International Journal of Applied Ceramic Technology (ACT) и International Journal of Ceramic Engineering and Science (IJCES), подробно описывают эксперименты, направленные на улучшение обработки за счет использования добавок, наноразмерных материалов и передовых методов спекания. .Эти журналы также включают исследования по улучшению характеристик варисторов.

    К счастью, основные критерии эффективности варисторов легко описываются и измеряются с помощью вольт-амперных экспериментов. Один из таких графиков, использующий данные из опубликованной в открытом доступе статьи «Металлооксидные варисторы с превосходными характеристиками с наноразмерной структурой», опубликованной в IJCES , показан ниже.

    Измерения напряжения-тока для одного состава варистора, усиленного с использованием различных профилей двухступенчатого спекания.Предоставлено: Дэниел К. Тан, Международный журнал керамической инженерии и науки (CC BY 4.0)

    Регион I — область омического резистора. Чем выше омическое сопротивление, тем ниже ток утечки (ток, протекающий через резистор при напряжениях менее уровень разбивки). Высокие токи утечки тратят энергию, приводя к дополнительным тепло и меньшее время автономной работы. Почти идеальный варистор показывает почти десятикратное более низкие токи утечки, чем в типичных варисторах.

    Область II — это область ограничения проводимости или напряжения. Чем меньше крутизна в этой области, тем быстрее варистор реагирует на перенапряжения. Наклон, или, точнее, обратное значение наклона, определяет коэффициент нелинейности α . Более высокое значение α означает лучшее время отклика и лучшую защиту, поскольку дрейф от перенапряжения минимален.

    Другой параметр в области II — это абсолютное значение напряжения ограничения. Для при заданном составе зажимное напряжение обратно пропорционально размер зерна.Другими словами, большие зерна приводят к более низкому напряжению зажима. В поведение варисторов зависит от толщины, состава и количества границ зерен в заданном объеме. И хотя крупные зерна приводят к более низкому количество границ зерен и, следовательно, более низкое напряжение зажима, вариации в гранулометрический состав и плотность / пористость керамики приводят к вариациям в токе утечки и альфа-коэффициенте.

    Авансы в варисторной обработке и исполнении

    В статье «Низкотемпературное спекание и электрические свойства многослойных варисторов на основе ZnO, легированных стеклом BBSZ», исследователи под руководством Юаньсюня Ли из Университета электронных наук и технологий Китая исследовали эффекты добавления стекла, состоящего из оксидов висмута, бора, кремния и цинка при спекании многослойного MOV-устройства.Стекло улучшает жидкофазное спекание. Исследователи получили керамику высокой плотности при температурах ниже 950 ° C. Они достигли лучших результатов при 3% -ной загрузке стекла при температуре 925 ° C, с самыми низкими токами утечки и значениями α выше 40, что сопоставимо с характеристиками коммерческих устройств.

    В статье «Металлооксидные варисторы с превосходными характеристиками» Дэниел Тан из Израильского технологического института провинции Гуандун Технион сосредоточился на использовании наноразмерных порошков при изучении передовых методов спекания.Его работа привела к более мелким зернам (от менее 1 до 3 микрометров по сравнению с 7-15 микрометрами для коммерческих порошков) и, следовательно, к более высоким значениям пробивных напряжений. Используя традиционное спекание без ограничений в атмосфере воздуха, наноразмерные материалы, спеченные при 1050 ° C, показали характеристики, сравнимые с коммерческими материалами MOV, спеченными при 1200 ° C. Добавление дополнительного оксида висмута для улучшения жидкофазного спекания значительно улучшило альфа (почти до 80), но уменьшило напряжение зажима, последнее из которых связано с большим количеством границ зерен на единицу объема.

    Используя спекание с усилением микроволн, Тан не заметил существенных улучшений цикла спекания или производительности MOV. Однако результаты искрового плазменного спекания (SPS) интересны и сложны. Дефицит кислорода во время SPS был существенным фактором. Тан преодолел дефицит кислорода за счет частичного спекания с помощью SPS и второго спекания на воздухе. Наилучшие характеристики были достигнуты при второй стадии спекания при 950 ° C, с очень высоким напряжением зажима, очень низкими токами утечки и α около 50.

    Для подробнее об этих улучшениях читайте полные статьи по ссылкам ниже.

    «Низкотемпературное спекание и электрические свойства многослойных варисторов на основе ZnO, легированных стеклом BBSZ», доступно сейчас в Интернете (DOI: 10.1111 / ijac.13367) и вскоре будет опубликовано в специальном выпуске журнала International Journal of Applied Ceramic Technology , посвященная работе, представленной на Международной конференции и выставке по керамическим межсоединениям и технологиям керамических микросистем в 2019 году (CIMCT-2019).

    «Металлооксидные варисторы с превосходными характеристиками с наноразмерными элементами» опубликовано в открытом доступе в International Journal of Ceramic Engineering and Science (DOI: 10.1002 / ces2.10017).

    Защита от перенапряжения для переключения постоянного тока с помощью MOV (металлооксидного варистора)

    Добавление защиты от перенапряжения для коммутации постоянного тока в вашем приложении защитит уязвимые компоненты цепи, такие как электромагнитный тормоз и выпрямители муфты, от переходных напряжений. Без этой защиты вы рискуете преждевременно износить контакты выпрямителя.Один из способов защиты от этих скачков — установка MOV.

    MOV, установленный в приложении для проверки защиты от перенапряжения при коммутации постоянного тока

    Что такое MOV?

    Металлооксидный варистор (MOV) — это резистор, зависящий от напряжения. Другими словами, это электрический компонент, сопротивление которого зависит от напряжения. Они используются для защиты уязвимых компонентов схемы от коротких скачков электрической энергии

    Что происходит, когда на тормоз отключается питание?

    Когда на электромагнит подается питание, часть этой энергии накапливается в катушке магнита.Затем, когда электромагнит отключается, эта энергия должна куда-то уходить и может стать так называемым переходным напряжением или коротким скачком электрической энергии, который может повредить компоненты схемы.

    Зачем нужно беспокоиться о переходных напряжениях?

    В случае электромагнитного тормоза это переходное напряжение, вызванное переключением тормоза, может вызвать повреждение и преждевременный износ контактов выпрямителя до точки отказа.В больших катушках с более высоким напряжением это результирующее переходное напряжение может потенциально повлиять на другие части вашей схемы. Двигатели, частотно-регулируемые приводы, контроллеры и другие уязвимые компоненты цепи должны быть защищены от этих скачков напряжения.

    Как предотвратить эти скачки напряжения

    MOV — это экономичный способ защиты электрических компонентов от потенциально опасных и разрушительных переходных напряжений. Как резистор, зависящий от напряжения, MOV не проводит, когда напряжение на нем меньше порогового напряжения.По сути, он имеет бесконечное сопротивление. Это означает, что в обычных ситуациях MOV не влияет на вашу схему. Но при превышении порогового напряжения сопротивление падает до нуля. Это заставляет весь ток проходить через MOV, где он перемещается в виде тепла и защищает вашу схему.

    Пример съезда с трапа грузовика для объяснения роли MOV в обеспечении защиты от перенапряжения для коммутационных устройств постоянного тока

    Хороший способ объяснить это — MOV действует как съезжающий грузовик с трапа.В нормальных условиях грузовики могут оставаться на дороге и им ничего не угрожает. Если что-то происходит, когда скорость увеличивается и ее невозможно контролировать, они направляются к съезду, чтобы безопасно сместить эту избыточную скорость.

    Как настроить MOV для обработки переходных напряжений

    Теперь мы рассмотрим типичную настройку электромагнитного тормоза и проверим переходное напряжение с MOV

    и без него.
    • Экспериментальная установка
    • Следы прицела
    • Продемонстрировать экспериментально, почему MOV является полезным компонентом
    Испытательная установка для защиты от перенапряжения MOV.

    Компоненты на изображении выше следующие:

    • 1. Магнитная катушка KEB 205VDC
    • 2. Изолирующий зонд
    • 3. Контакты цепи датчика изоляции
    • 4. Провод тормозной катушки
    • 5. Металлооксидный варистор (MOV)
    • 6. Однополупериодный выпрямитель KEB Combitron 91
    • 7. Контактор для переключения на стороне постоянного тока, питание от сети переменного тока 120 В
    • 8. 3 фазы 480 В перем. Тока

    На изображении выше показано, насколько большим может быть переходное напряжение во время операций переключения постоянного тока.В этом тесте пик переходного напряжения составил 3,54 кВ. Испытанная тормозная катушка рассчитана на 2,3 кВ, и переключение без какой-либо защиты не было бы идеальным для любого применения. Со временем переходные напряжения во время переключения приведут к разрушению тормозной катушки, что приведет к преждевременному выходу из строя.

    На изображении выше показан сигнал переключения постоянного тока, когда установлен MOV. Как вы можете видеть, MOV ограничил переходное напряжение до 1,29 кВ, что значительно ниже номинального значения катушки. Установка MOV гарантирует, что переключение постоянного тока не вызовет преждевременного износа тормозной катушки или других компонентов цепи.

    Заключение

    Как видите, добавление защиты от перенапряжения в приложение защищает уязвимые компоненты схемы от переходного напряжения. Без этой защиты вы рискуете преждевременно износить контакты выпрямителя. Если вы хотите обсудить конкретное приложение, свяжитесь с инженером KEB, используя форму ниже.

    Символ варистора

    и его применение | Металлооксидный варистор

    Введение

    Варистор — это комплект переменного резистора.Это пассивный нелинейный полупроводниковый прибор с двумя выводами.

    Варистор обеспечивает защиту от перенапряжения электрических и электронных цепей в отличие от автоматических выключателей или плавких предохранителей, которые обеспечивают защиту цепей от перегрузки по току. Варистор обеспечивает защиту с помощью метода ограничения напряжения, который аналогичен стабилитрону.

    Несмотря на то, что название варистор происходит от терминов «переменный резистор», сопротивление варистора нельзя изменять вручную, в отличие от потенциометра или реостата, где сопротивление можно изменять вручную между их максимальным и минимальным значениями.

    Варистор

    Сопротивление варистора изменяется в зависимости от приложенного к нему напряжения. Изменение напряжения на варисторе приведет к изменению его сопротивления, что сделает его устройством, зависящим от напряжения. Следовательно, варистор также называется резистор, зависимый от напряжения (VDR) .

    Два стандартных обозначения варистора показаны ниже.

    Стандартное обозначение IEEE для варистора

    Стандартный символ IEC для варистора

    Обычно варисторы изготавливаются из полупроводниковых материалов.Вольт-амперные и токовые характеристики варистора имеют нелинейный характер. Также характеристики напряжения и тока варистора подходят как для постоянного, так и для переменного тока.

    Физически варистор во многом похож на конденсатор. Из-за сходства варистор часто путают с конденсатором. Однако с точки зрения применения конденсатор не может предотвратить скачки напряжения, которые могут быть у варистора.

    Последствия случайного скачка высокого напряжения в любой цепи могут быть катастрофическими.Следовательно, использование варистора для защиты чувствительных и чувствительных электрических или электронных цепей от скачков высокого напряжения и всплесков переключения очень важно.

    Сопротивление варистора

    Несмотря на то, что целью варистора является обеспечение сопротивления, работа варистора отличается от потенциометра или реостата. При нормальных условиях эксплуатации сопротивление варистора очень велико.

    Функциональность варистора аналогична функциональности стабилитрона, где он позволяет без изменений проходить напряжения с более низким порогом.

    Функциональность варистора изменяет t высокое рабочее напряжение . Когда напряжение, приложенное к варистору, больше, чем его номинальное значение, эффективное сопротивление варистора резко падает и продолжает уменьшаться по мере подачи напряжения. к нему увеличивается.

    Кривая зависимости статического сопротивления варистора от приложенного напряжения показана ниже.

    Характеристики V-I

    Согласно закону Ома кривая вольт-амперной характеристики резистора представляет собой прямую линию при условии, что номинал резистора остается постоянным.В этом случае ток, протекающий через резистор, прямо пропорционален напряжению, приложенному к концам резистора.

    В случае варистора кривая вольт-амперной характеристики не является прямой линией. Это связано с необычным поведением сопротивления варистора. В случае варистора небольшое изменение приложенного к нему напряжения вызовет достаточно большое изменение тока, протекающего через него.

    Кривая вольт-амперной характеристики варистора приведена ниже.

    Из приведенной выше кривой вольт-амперной характеристики видно, что варистор имеет двунаправленные симметричные характеристики. Это означает, что варистор может работать или работать в любом направлении или полярности синусоидальной волны. Функциональность варистора аналогична функциональности стабилитронов, соединенных встречно.

    Кривая вольт-амперной характеристики варистора показывает линейную зависимость между током и напряжением, когда варистор не проводит .Это связано с тем, что ток, протекающий через варистор, останется постоянным, а его значение будет очень низким.

    Это ток утечки варистора, величина которого составляет порядка нескольких миллиампер. Причина тому — высокое сопротивление варистора. Этот небольшой ток будет оставаться постоянным, пока напряжение, приложенное к варистору, не достигнет номинального напряжения варистора.

    Номинальное напряжение варистора также называется напряжением ограничения.Номинальное напряжение варистора — это напряжение на нем, которое измеряется с заданным постоянным током в 1 мА. Это далее можно объяснить как постоянное напряжение, приложенное к клеммам варистора, которое позволяет току в 1 миллиампер протекать через него. .

    Ток, протекающий через корпус варистора, зависит от материала, из которого изготовлен варистор. При этом номинальном уровне напряжения функциональные возможности варистора начинают меняться.

    До достижения номинального напряжения варистор действует как изолятор.Если приложенное напряжение варистора достигает своего номинального напряжения, поведение варистора изменяется от изолирующего состояния до проводящего состояния.

    Сопротивление варистора становится очень маленьким, когда переходное напряжение, приложенное к варистору, больше или равно номинальному напряжению варистора. Это происходит из-за явления, называемого лавинным пробоем в полупроводниковых материалах.

    Лавинный пробой — это форма умножения тока, которая допускает большие токи в материалах, которые раньше действовали как изоляторы.Из-за этой ситуации небольшой ток, протекающий через варистор, который является током утечки, быстро возрастет.

    Даже если ток, протекающий через варистор, увеличивается, напряжение на нем ограничивается значением, близким к номинальному напряжению варистора. Это означает, что варистор действует как саморегулятор переходных напряжений, приложенных к нему, пропуская или позволяя протекать большему току через варистор.

    Следовательно, после пересечения номинального напряжения варистора кривая вольт-амперной характеристики становится крутой нелинейной кривой.Благодаря этой особенности варистор может пропускать сильно изменяющиеся токи в очень узком диапазоне напряжений, отсекая любые всплески напряжения.

    Емкость варистора

    Когда приложенное к варистору напряжение меньше номинального или ограничивающего напряжения, варистор действует как конденсатор, а не как резистор. Причина этого вывода заключается в том, что поведение основной проводящей области варистора как диэлектрика между двумя выводами варистора.

    Две клеммы и диэлектрик образуют конденсатор.Это действительно до тех пор, пока напряжение не достигнет предельного напряжения. Каждый варистор, сделанный из полупроводникового материала, будет иметь значение емкости. Это значение зависит от площади варистора и обратно пропорционально его толщине.

    Конденсатор варистора работает по-разному в цепях постоянного и переменного тока. В цепях постоянного тока емкость варистора существует, когда приложенное напряжение ниже номинального напряжения варистора, и резко уменьшается при приложении напряжения, близкого к номинальному.

    Когда в цепях переменного тока используется варистор, частота играет важную роль. В цепях переменного тока, когда варистор работает в области непроводящей утечки, емкость варистора влияет на сопротивление его тела.

    Варисторы обычно подключаются параллельно к электрическим или электронным устройствам, чтобы защитить их от перенапряжения.

    Из-за этого сопротивление утечки варистора падает с увеличением частоты. Связь между частотой и результирующим параллельным сопротивлением приблизительно линейна.Реактивное сопротивление переменного тока XC можно рассчитать по формуле

    .

    XC = 1 / (2 × π × f × C) = 1 / (2 πfC)

    Здесь C — емкость, а f — частота.

    Следовательно, с увеличением частоты увеличивается и ток утечки.

    Металлооксидный варистор (MOV)

    Чтобы преодолеть ограничения варисторов на основе полупроводников, таких как варисторы из карбида кремния, были разработаны металлооксидные варисторы (MOV). Металлооксидный варистор — это резистор, зависящий от напряжения.Это также нелинейное устройство, обеспечивающее очень хорошую защиту от импульсных перенапряжений.

    Материал сопротивления в варисторе из оксида металла в основном состоит из зерен оксида цинка, спрессованных в керамическую массу. Смесь на 90% состоит из зерен оксида цинка, а остальные 10% состоят из оксидов других металлов, таких как кобальт, висмут и марганец.

    Эта смесь зажата между двумя электродами (металлическими пластинами). Наполнитель действует как связующий агент для зерен оксида цинка, так что компонент остается неповрежденным между двумя металлическими пластинами.Соединительные провода металлооксидного варистора являются радиальными выводами.

    Варистор на основе оксида металла

    Варистор на основе оксида металла — это наиболее часто используемые компоненты, которые используются в качестве устройств ограничения напряжения для защиты небольших или тяжелых устройств от переходных скачков напряжения. Поскольку в его конструкции используется оксид металла, способность поглощать короткие переходные напряжения и способность управлять энергией чрезвычайно высоки.

    Работа варистора из оксида металла и варистора из карбида кремния очень похожа.Металлооксидный варистор начинает проводить ток при номинальном напряжении и прекращает проводимость, если приложенное напряжение ниже порогового значения.

    Основное различие между варистором из карбида кремния и варистором из оксида металла заключается в величине тока утечки. Ток утечки в MOV очень мал при нормальных условиях эксплуатации.

    Причину меньших токов утечки можно объяснить следующим образом. В варисторе из оксида металла два ближайших соседних зерна цинка образуют диодный переход между своими границами.

    Следовательно, металлооксидный варистор можно рассматривать как совокупность огромного количества диодов, соединенных параллельно. Из-за этого, когда между электродами подается крошечное напряжение, обратный ток утечки, который появляется через диодный переход, очень мал.

    Когда приложенное напряжение увеличивается и достигает напряжения зажима, диодный переход разрывается из-за лавинообразного пробоя и туннелирования электронов и пропускает через него большой ток. Металлооксидные варисторы имеют высокий уровень нелинейных вольт-амперных характеристик.

    Максимальный импульсный ток, который может выдержать варистор, будет зависеть от ширины переходного импульса и количества повторений импульсов. Типичная длительность переходного импульса находится в диапазоне от 20 микросекунд до 50 микросекунд.

    Существует вероятность перегрева, если номинальный пиковый импульсный ток недостаточен. Следовательно, чтобы избежать перегрева схемы, важно быстро рассеивать энергию, поглощаемую переходным импульсом.

    Защита от перенапряжения высокого напряжения

    Независимо от того, является ли питание постоянным или переменным, скачки напряжения возникают из-за множества электрических источников и цепей, независимо от источника питания.Это связано с тем, что переходные процессы генерируются в цепи или передаются от внешних источников в схему.

    Переходные процессы, которые генерируются в цепи, могут быстро нарастать и могут вызвать повышение напряжения до значения в несколько тысяч вольт. Эти скачки напряжения могут вызвать серьезные проблемы с чувствительными электрическими или электронными устройствами и, следовательно, не должны появляться на них.

    Вот некоторые из распространенных источников переходных процессов напряжения:

    • Влияние напряжения L di / dt (Ldi / dt) в индуктивных цепях.Этот эффект возникает из-за переключения индуктивных катушек и токов намагничивания в трансформаторах.
    • Скачки напряжения в электросети.
    • Переключение двигателя постоянного тока.

    Варистор подключен к сети, чтобы избежать скачков напряжения. Это соединение может быть либо между фазой и нейтралью, либо между фазой и фазой в случае питания переменного тока.

    В случае питания постоянного тока варистор подключается к источнику питания между положительной и отрицательной клеммами. В электронных схемах постоянного тока варистор может использоваться для стабилизации напряжения для защиты от импульсов перенапряжения.

    Характеристики варистора

    Ниже приведены характеристики типичного варистора.

    Максимальное рабочее напряжение: Это пиковое установившееся постоянное напряжение или синусоидальное среднеквадратичное напряжение, которое может непрерывно применяться при заданной температуре.

    Напряжение варистора: Это напряжение между выводами варистора с заданным измеряемым постоянным током.

    Напряжение зажима: Это напряжение между выводами варистора с заданным импульсным током, приложенным для получения пикового напряжения.

    Импульсный ток: Максимальный ток, протекающий через варистор.

    Максимальная энергия: Максимальная энергия, рассеиваемая при подаче импульса переходного процесса.

    Сдвиг импульсного тока: Изменение напряжения после подачи импульсного тока.

    Емкость : Измеряется, когда напряжение меньше напряжения варистора.

    Ток утечки: Ток, протекающий через варистор, когда он находится в непроводящем состоянии.

    Время отклика: Время между приложением номинального напряжения и переходом из непроводящего состояния в проводящее состояние.

    Применение варистора

    Варисторы

    используются практически во всех тяжелых электрических цепях и небольших электронных устройствах. Варисторы обеспечивают защиту от перенапряжения как для цепей переменного, так и постоянного тока.

    Некоторые из приложений

    1. Для защиты электрических цепей от перенапряжения. На следующей схеме показано подключение металлооксидного варистора для обеспечения защиты однофазной линии от линии.

    Следующая схема аналогична, за исключением того, что она также обеспечивает защиту линии от земли.

    2. В электронных схемах устройства очень чувствительны к изменениям напряжения. Следовательно, используется варистор. Следующая схема показывает типичный варистор, защищающий транзистор.

    3. Для защиты от перенапряжения двигателей переменного или постоянного тока.

    Ограничения варистора

    Когда в ограничителе импульсных перенапряжений используется варистор, он может не обеспечивать защиту устройства по питанию.Это связано с тем, что наличие варистора в этой ситуации вызовет проблемы для оборудования и самого устройства.

    Варистор не может обеспечить защиту от следующих

    1. Скачки тока при запуске устройства
    2. Ток от короткого замыкания.
    3. От провалов или падений напряжения.

    Как выбрать MOV — объяснение на практике

    MOV или металлооксидные варисторы — это устройства, предназначенные для управления скачками напряжения при включении сетевого выключателя в электрических и электронных цепях.Выбор MOV для конкретной электронной схемы может потребовать некоторого рассмотрения и расчета, давайте изучим процедуры здесь.

    Что такое MOV??????????????

    Они в основном используются в чувствительных электронных схемах для защиты от таких катастрофических происшествий.

    MOV в основном неполярные, зависимые от напряжения устройства, что означает, что эти устройства будут реагировать на изменения напряжения.

    Следовательно, MOV должны запускаться при превышении номинального значения напряжения на их соединениях.

    Это номинальное напряжение, при котором MOV может быть рассчитано на возгорание и короткое замыкание переходного процесса на землю, называется его характеристикой напряжения ограничения.

    Например, если предположить, что номинальное напряжение ограничения MOV составляет 350 В, то он будет включаться всякий раз, когда напряжение на нем превысит этот предел.

    Когда MOV включается или запускается скачком высокого напряжения, он замыкает скачок напряжения на своих выводах, предотвращая его попадание в уязвимое электронное устройство, подключенное с другой стороны.

    Это действие защищает электронную схему от таких случайных скачков напряжения и кратковременных скачков напряжения.

    И поскольку вышеупомянутая реакция является внезапной, MOV характеризуются как нелинейные устройства, что означает, что они будут изменять свои характеристики не постепенно, а внезапно при превышении указанных параметров.

    Лучшей характеристикой MOV является его способность поглощать большой ток, сопровождающийся скачком напряжения. В зависимости от спецификации MOV, токопоглощающая способность MOV может составлять от 1 до 2500 ампер

    Форма вольт-амперной характеристики типичного оксида цинка MOV

    Однако продолжительность тока Функция обработки MOV может быть ограничена только несколькими микросекундами, что означает, что активация MOV в таких серьезных ситуациях не может длиться более нескольких микросекунд, иначе это может сжечь устройство и навсегда повредить его.

    Поэтому рекомендуется использовать плавкий предохранитель последовательно с линией электросети в сочетании с присоединенным MOV для обеспечения безопасности как электронной схемы, так и MOV в возможных экстремальных катастрофических условиях.

    ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

    Обычно ВАХ варистора ZnO (MOV) можно понять следующим образом:

    Связь между напряжением и током варистора можно приблизительно оценить по следующей формуле

    В = C x I β
    где:
    V = напряжение
    C = напряжение варистора при 1 A
    I = фактический рабочий ток
    β = тангенс угловой кривой, отклоняющейся от горизонтали

    Практический пример

    Когда:
    C = 230 В при 1 А
    β = 0.035 (ZnO)
    I = 10-3 A или 102 A
    V = C x Iβ
    , так что для тока 10 -3 A: V = 230 x (10 -3 ) 0,035 = 180 В и
    для тока 10 2 A: V = 230 x (10 2 ) 0,035 = 270 V

    Источник: https://www.vishay.com/docs/29079/varintro.pdf

    Как выбрать MOV

    Выбрать MOV для желаемого приложения действительно просто.

    Сначала определите максимальное пиковое безопасное рабочее напряжение электронной схемы, которая нуждается в защите, а затем примените MOV, указанный для проведения около этого предельного напряжения.

    Например, предположим, что это устройство SMPS с максимальной мощностью 285 В RMS от входа сети, подразумевает, что устройство сможет справиться с пиковым скачком напряжения сети не более 285 / 0,707 = 403 В

    Цифра 403 В дает Это максимальная пиковая пропускная способность цепи SMPS, которой следует избегать ни при каких обстоятельствах, и поэтому MOV с номинальным напряжением фиксации около 400 В может быть безопасно применен к этому SMPS.

    Текущий рейтинг MOV может быть вдвое больше, чем рейтинг SMPS, то есть, если мощность SMPS рассчитана на 24 Вт на вторичной обмотке, тогда первичная может быть рассчитана как 24/285 = 0.084 ампера, поэтому ток MOV может быть где угодно выше 0,084 x 2 = 0,168 ампера или 200 мА.

    Однако MOV на 200 мА может быть трудно получить, поэтому для этой цели с максимальной эффективностью можно использовать стандартное устройство на 1 А.

    В следующей статье мы подробнее обсудим, как выбирать MOV, и подробно изучим это с помощью диаграмм и таблиц.

    Металлооксидный варистор MOV

    Металлооксидный варистор или MOV — это нелинейное устройство, зависящее от напряжения, которое обеспечивает превосходное подавление переходных напряжений.Металлооксидный варистор предназначен для защиты различных типов электронных устройств и полупроводниковых элементов от коммутации и индуцированных грозовых перенапряжений.

    При воздействии высокого переходного напряжения MOV фиксирует напряжение до безопасного уровня. Металлооксидный варистор поглощает потенциально разрушительную энергию и рассеивает ее в виде тепла, таким образом защищая уязвимые компоненты схемы и предотвращая повреждение системы. Варисторы могут частично поглощать скачки напряжения.

    О MOV — Металлооксидные варисторы

    A MOV содержит керамическую массу зерен оксида цинка в матрице оксидов других металлов (например, небольшое количество висмута, кобальта, марганца), зажатую между двумя металлическими пластинами (электродами).

    Сопутствующие товары: Защита цепей Разное | Блокирующие устройства переходного режима | Варистор | TVS | Ограничители перенапряжения

    Их можно подключать параллельно для повышения энергоэффективности. MOV
    также могут быть подключены последовательно, чтобы обеспечить более высокое номинальное напряжение или номинальное напряжение между стандартными приращениями.

    Металлооксидный варистор остается непроводящим в качестве устройства шунтирующего режима во время нормальной работы, когда напряжение остается значительно ниже своего «напряжения ограничения».Если кратковременный импульс (часто измеряемый в джоулях) слишком высок, устройство может расплавиться, сгореть, испаряться или иным образом быть повреждено или разрушено.

    Варисторы в любом случае должны быть подключены параллельно защищаемым электронным цепям.

    Как сказал Сивананд в одной из статей: «СЛЕДУЕТ использовать металлооксидный варистор для защиты схемы от скачков напряжения… Это стало обязательным условием, и его можно увидеть во всех источниках питания, которые работают напрямую от сети».

    Варисторы

    : идеальное решение для защиты от перенапряжения

    Чтобы просмотреть эту статью в формате PDF, нажмите здесь.

    Новые правила, касающиеся защиты от перенапряжения, вынуждают инженеров искать решения, которые позволяют включать такую ​​защиту с минимальными затратами, особенно в чувствительных к стоимости потребительских товарах. В автомобильном секторе защита от перенапряжения также становится растущей необходимостью — благодаря быстрому росту количества электронного оборудования даже в самых простых серийных автомобилях в сочетании с общепризнанными проблемами относительно нестабильного напряжения питания и помех от системы зажигания транспортного средства.

    Еще одним растущим рынком защиты от перенапряжения является телекоммуникационный сектор, где постоянное повышение уровня интеллекта в коммутаторах и во всех сетях приводит к более широкому использованию чувствительных полупроводников, а строгие требования к времени безотказной работы и доступности означают, что высокая восприимчивость к сбоям в электроснабжении недопустима.

    Решения для защиты от перенапряжения

    Устройства защиты от перенапряжения защищают от скачков, вызванных электромагнитными эффектами, такими как молния или электростатический разряд, вызванный различными эффектами.По существу, защита от перенапряжения может применяться на входе сети для борьбы с помехами в электросети, внешними по отношению к рабочему оборудованию, или внутренними перенапряжениями, обычно вызываемыми переключением высокой индуктивной нагрузки.

    Устройство защиты от перенапряжения может ослаблять переходные процессы путем фильтрации или отклонять переходные процессы, чтобы предотвратить повреждение нагрузки. Те, которые отклоняют переходный процесс, делятся на две большие категории: устройства с ломом, которые переключаются в режим очень низкого импеданса для короткого замыкания переходного процесса до тех пор, пока ток не снизится до низкого уровня; и зажимные устройства, ограничивающие напряжение до определенного уровня.Группа ломов включает устройства, запускаемые при пробое газового или изоляционного слоя, такие как устройства защиты воздушных зазоров, детекторы угольных блоков, газоразрядные трубки (GDT) или пробой диодов (BOD), или включение тиристора. ; к ним относятся тринисторы и перенапряжения, срабатывающие при перенапряжении.

    Одним из преимуществ устройства ломового типа является то, что его очень низкий импеданс позволяет пропускать большой ток без рассеивания значительного количества энергии внутри устройства защиты. С другой стороны, существует ограниченная временная характеристика, когда устройство переключается или переходит в режим пробоя, во время которого нагрузка может подвергаться разрушительному перенапряжению.Другим ограничением является следование мощности, когда силовой ток от источника напряжения следует за импульсным разрядом. Этот ток не может быть отключен в цепи переменного тока, а сброс еще более ненадежен в приложениях постоянного тока.

    Стабилитроны — или лавинные диоды — и резисторы, зависящие от напряжения (варисторы), отображают переменный импеданс в зависимости от тока, протекающего через устройство, или напряжения на его выводах. Они используют это свойство для ограничения перенапряжения на уровне, зависящем от конструкции и конструкции устройства.Характеристика импеданса, хотя и нелинейная, является непрерывной и не отображает временной задержки, например, связанной с искровым разрядом промежутка или срабатыванием тиристора. Само зажимное устройство прозрачно для источника питания и нагрузки при установившемся напряжении ниже предельного уровня.

    Недорогие высокопроизводительные варисторы

    Основная функция зажима — поглощать скачок перенапряжения за счет снижения его импеданса до такого уровня, чтобы падение напряжения на постоянно присутствующем последовательном импедансе было достаточно значительным, чтобы ограничить перенапряжение на «критических частях» до приемлемого уровня.Современные стабилитроны очень эффективны и наиболее близки к идеальным фиксаторам постоянного напряжения. Однако лавинное напряжение сохраняется в тонкой области перехода, что приводит к значительному тепловыделению. Следовательно, способность стабилитрона к рассеиванию энергии весьма ограничена.

    Варистор, напротив, имеет нелинейный переменный импеданс. Разработчик варистора может управлять степенью нелинейности в широком диапазоне, используя новые материалы и конструктивные методы, которые расширяют диапазон применения варисторов.Например, варисторы теперь предлагают экономичное решение для низковольтной логики, требующей низкого уровня защиты и низкого тока в режиме ожидания, а также для линий электропередач переменного тока и приложений с высокой пропускной способностью.

    По сравнению с диодами-подавителями переходных процессов варисторы могут поглощать гораздо более высокие энергии переходных процессов и могут подавлять положительные и отрицательные переходные процессы. Кроме того, по сравнению с устройствами ломового типа время отклика варистора обычно меньше наносекунды, и устройства могут быть сконструированы так, чтобы выдерживать скачки до 70 000 А.У них большой срок службы по сравнению с диодами, а режим отказа варистора — короткое замыкание. Это предотвращает повреждение нагрузки, которое может произойти, если отказ схемы защиты не обнаружен. Варисторы обычно предлагают экономию по сравнению с устройствами ломового типа.

    Работа варистора

    Варисторы на основе оксида металла

    или MOV обычно изготавливаются из спеченного оксида цинка с добавлением подходящей добавки. Каждая межкристаллитная граница отображает выпрямляющее действие и представляет собой определенный барьер напряжения.Когда они проводят, они образуют путь с низким сопротивлением для поглощения энергии скачков. Во время производства гранулы оксида цинка прессуются перед обжигом в течение контролируемого периода и температуры до тех пор, пока не будут достигнуты желаемые электрические характеристики. Поведение варистора определяется соотношением:

    I = кВ α

    где K и α — постоянные устройства.

    K зависит от геометрии устройства. С другой стороны, a определяет степень нелинейности характеристики сопротивления и может контролироваться путем выбора материалов и применения производственных процессов.Высокое значение α означает лучший зажим; Технология оксида цинка позволила использовать варисторы с диапазоном от 15 до 30, что значительно выше, чем у устройств предыдущего поколения, таких как варисторы из карбида кремния. Поведение варистора V-I показано на рис. 1 , на котором выделены отдельные рабочие зоны варистора. Наклон защищенной области определяется параметром устройства β, который имеет обратную зависимость от a. Фактически, поведение варистора также можно описать соотношением:

    V = CI β (инверсия I = KV α )

    , где C также является константой устройства, зависящей от геометрии.

    На рис. 1 также сравнивается характеристика варистора с характеристикой идеального устройства ограничения напряжения, которая будет отображать нулевой наклон, а также характеристику стабилитрона. Сравнение стабилитронов подчеркивает расширенную область защиты, которую варистор также предлагает для сопоставимых значений тока и мощности.

    Критерии отбора

    Для большинства приложений вы можете определить выбор, оценив четыре аспекта желаемого приложения:

    1. Нормальные рабочие условия устройства или системы, а также подача переменного или постоянного напряжения . На рис. 2 показана блок-схема, которая может использоваться для определения необходимого номинального установившегося напряжения или рабочего напряжения.

    Вы можете найти VDR различных размеров и напряжений в диапазоне от 8 В до 1000 В (среднеквадратичное) и более. Чем выше номинальное напряжение выбранного варистора по сравнению с нормальным рабочим напряжением цепи, тем выше его надежность с течением времени, поскольку устройство способно выдерживать большее количество импульсных токов без ухудшения характеристик.Недостатком является снижение уровня защиты, обеспечиваемой варистором с завышенными характеристиками. Следовательно, вы должны поддерживать следующее отношение:

    Максимальное выдерживаемое напряжение защищаемого устройства> макс. напряжение фиксации варистора> макс. постоянное рабочее напряжение.

    2. Определите повторяющийся пиковый ток . На фиг. 3 показана блок-схема, которая может использоваться для определения повторяющегося пикового тока. Максимальные импульсные токи зависят от размера компонента и начинаются от нескольких сотен ампер до нескольких десятков килоампер (при стандартной форме волны 8/20 мкс).Как только известен повторяющийся пиковый ток, вы можете рассчитать необходимое поглощение энергии в джоулях (ватт-секунда или Вт-с) для варистора.

    3. Рассчитайте поглощение энергии . Есть два случая: один для постоянного и один для переменного тока. Энергетические характеристики доступных варисторов начинаются от нескольких джоулей до нескольких сотен джоулей.

    Случай 1 — Расчет рассеяния постоянного тока: Мощность, рассеиваемая варистором, равна произведению напряжения и тока и может быть записана в виде:

    W = I × V = C × I β +1

    Когда коэффициент α = 30 (β = 0.033) мощность, рассеиваемая варистором, пропорциональна 31-й степени напряжения. Увеличение напряжения всего на 2,26% в этом случае удвоит рассеиваемую мощность. Следовательно, важно, чтобы подаваемое напряжение не превышало определенного максимального значения, иначе допустимое значение будет превышено. Более того, поскольку варисторы имеют отрицательный температурный коэффициент, при более высоком рассеивании (и, соответственно, при более высокой температуре) значение сопротивления будет уменьшаться, а рассеиваемая мощность увеличиваться еще больше.

    Случай 2 — Расчет рассеяния переменного тока: Когда на варистор подается синусоидальное переменное напряжение, рассеивание рассчитывается путем интегрирования произведения VI. Подходящее выражение выглядит следующим образом:

    Энергетические характеристики переходного процесса указаны в Джоулях. Важно убедиться, что варистор способен без сбоев поглощать эту энергию в течение запланированного срока службы продукта или интервала замены. Когда устройство используется для защиты от переходных процессов, возникающих в результате индуктивного или емкостного разряда, таких как переключение двигателя, переходная энергия легко вычисляется.Однако если ожидается, что варистор будет защищать от переходных процессов, возникающих от внешних источников, величина переходного процесса обычно неизвестна, и необходимо применять метод аппроксимации. Это включает в себя расчет поглощенной энергии после определения переходного тока и напряжения, приложенных к варистору. Может применяться следующее уравнение:

    E = интеграл (все до V c (t) I (t) Δt) от 0 до Γ = KV c

    Где I — пиковый ток, Vc — результирующее напряжение фиксации, t — длительность импульса, а K — константа коэффициента формы энергии, зависящая от формы волны тока.

    4. Размер и стиль упаковки . При выборе размера и стиля упаковки необходимо учитывать электрические и механические аспекты. Это включает в себя определение требуемой номинальной мощности и амплитуд импульсных токов, а также определение того, предназначено ли устройство для защиты от исключительных скачков напряжения или от тех, которые вызваны повторяющимися событиями, будут учитываться в процессе выбора. Ожидаемое количество рассеиваемой энергии также будет влиять на это, и разработчики должны гарантировать, что размеры упаковки соответствуют физической и механической конструкции продукта.Обычные форм-факторы обычно варьируются от дисков диаметром от нескольких миллиметров до 50 мм или блочных и прямоугольных типов для деталей, требующих высокой энергии.

    Другими важными соображениями при выборе являются влияние индуктивности выводов и емкости устройства, которые также влияют на характеристики варистора в цепи и должны учитываться при выборе варистора. В обычных устройствах с выводами индуктивность вывода может замедлить быстрое срабатывание варистора до такой степени, что защита будет нарушена.

    Моделирование варистора представляет собой шунтирующую емкость, которая может варьироваться от нескольких десятков пФ до нескольких нФ, в зависимости от размера и диапазона напряжения устройства. В зависимости от области применения наличие этой емкости может иметь незначительные последствия, быть желательным свойством или, в худшем случае, проблематичным. Например, в приложениях постоянного тока желательна большая емкость, которая может обеспечить определенную степень фильтрации и подавления переходных процессов. С другой стороны, это может препятствовать использованию варистора для защиты высокочастотных цепей.

    Примеры приложений

    Глядя на Рис. 4 , вы можете увидеть, как можно использовать варистор для защиты общей нагрузки от скачков напряжения, исходящих от источника питания. Собственный выходной импеданс источника питания в сочетании с импедансом варистора создает делитель потенциала, коэффициент которого зависит от импеданса варистора, чтобы защитить нагрузку. Вы можете увидеть альтернативное приложение на Рис. 5 . Без варисторной защиты измеренный пиковый ток через двигатель насоса, когда S замкнут, составляет 1 А.Таким образом, энергия, затрачиваемая на создание электромагнитного поля в индуктивности двигателя, составляет:

    Без варисторной защиты начальный ток 1 А будет течь через тиристорный мост при размыкании S, и будет развиваться напряжение, достаточное для повреждения или разрушения тиристоров. На размыкающих контактах переключателя возникнет дуга. Но с варистором, вставленным в схему, пиковое напряжение, развиваемое на варисторе при размыкании переключателя S, составляет:

    В = CMAX × Iβ = 600 В.

    Тиристоры моста могут выдерживать это напряжение без повреждений. Полная энергия, возвращенная в схему, составляет 200 мДж. Из этих 200 мДж 15,1 мДж рассеивается в нагревателе, а 184,3 мДж рассеивается в варисторе. Варистор выдерживает более 10 5 переходных процессов, содержащих такое количество энергии. Для дополнительной информации, Рис. 6 показывает, как варисторы могут использоваться для подавления внутренне генерируемых всплесков в телевизионном приложении.

    Новые пути развития

    Варисторы

    предлагают экономию затрат и преимущества в производительности по сравнению с устройствами защиты от перенапряжения ломового типа и фиксаторами на стабилитронах в широком диапазоне приложений.Усовершенствованные материалы и оптимизированная конструкция компонентов — особенно в области варисторов из оксида цинка — открыли новые области применения варисторов, особенно тех, которые требуют низкого уровня защиты и низкого тока в режиме ожидания.

    В соответствии с преобладающим стремлением отрасли к миниатюризации и технологии поверхностного монтажа, появляются VDR в однослойных корпусах SMD, которые удовлетворяют средним возможностям обработки энергии в относительно небольшом объеме. Кроме того, там, где варисторы дискового типа занимают относительно большое пространство внутри корпуса, новые низкопрофильные варисторы уменьшают максимальную высоту над платой для такого устройства, сохраняя при этом эквивалентные возможности управления током.В дополнение к этому, на рынке более широко используются варисторы сверхвысоких перенапряжений, способные предложить улучшенное соотношение импульсного тока к размеру и позволяют заменять большие компоненты меньшими устройствами с аналогичными характеристиками и надежностью.

    Другие новые типы варисторов включают термопредохранитель для обеспечения предсказуемого «отказоустойчивого» поведения в случае ненормального использования. Дальнейшие направления развития включают варисторы, способные работать с температурами окружающей среды выше 125 ° C во всем диапазоне напряжений / импульсных перенапряжений. PETech

    Варисторы — обзор | Темы ScienceDirect

    2.3 DSSC на основе ZnO

    Оксид цинка, обладающий превосходными характеристиками в электронике, оптике, фотонике и оптоэлектронике, привлек широкое внимание благодаря своим приложениям к варисторам, прозрачной электронике большой мощности, устройствам с поверхностными акустическими волнами, пьезоэлектрическим преобразователям, УФ излучатели света, сенсоры и солнечные элементы [35–38]. Синтез одномерных (1D) наноструктур ZnO, e.g., NW и наностержни (NR), вызывает растущий интерес благодаря их новым электрическим, механическим, химическим и оптическим свойствам, а также многообещающим приложениям для многих устройств [39–43]. Достоинством вертикальных одномерных наноструктур для использования во многих устройствах является обеспечение прямых электронно-проводящих каналов к электродам. Парофазные методы широко используются для получения высококачественных и хорошо ориентированных одномерных наноструктур ZnO [44–46], однако высокая температура процесса (~ 500–1100 ° C) ограничивает доступные подложки для роста ZnO.С другой стороны, выровненные одномерные наноструктуры ZnO были успешно синтезированы на различных подложках с использованием низкотемпературного (<100 ° C) и недорогого метода осаждения в химической ванне (CBD) [47, 48].

    С шириной запрещенной зоны, аналогичной ширине запрещенной зоны обычно используемого TiO 2 , но обладающий более высокой подвижностью электронов, ZnO является альтернативным анодным материалом для DSSC [49]. Наноструктуры ZnO привлекают значительное внимание для применения DSSC из-за их низкой температуры кристаллизации и анизотропного роста, а также превосходных свойств переноса электронов.Law et al. [18] использовали полиэтиленимин (PEI) для увеличения аспектного отношения анодов ZnO NW во время роста CBD. ННК с высокой плотностью и длиной 20–25 мкм были получены путем выращивания с несколькими ваннами, а лучшие характеристики ZnO NW DSSC характеризовались эффективностью 1,5% при облучении AM 1,5 (100 мВт / см 2 ). Они предположили, что производительность ZnO NW DSSC все еще ограничивалась меньшей площадью поверхности NW для загрузки красителя, хотя электроды ZnO NW увеличивали скорость переноса электронов.Обогащение площади поверхности одномерных наноструктур необходимо для дальнейшего улучшения характеристик DSSC. В дополнение к монокристаллическому массиву NW, превосходные свойства переноса электронов и, следовательно, эффективность сбора заряда были продемонстрированы в DSSC на основе ZnO с различными анодными структурами, такими как пористая кристаллическая пленка [26], композитная пленка NW / NP [27,28] , композитная пленка ND / NP [29].

    Хотя ZnO обладает преимуществами быстрого переноса и сбора электронов, его максимальная эффективность преобразования энергии составляет 7 баллов.5% для DSSC на основе ZnO, о котором недавно сообщалось [50], все еще ниже, чем рекордная эффективность 12,3% для DSSC на основе TiO 2 [14]. Основная причина может заключаться в том, что красители DSSC всегда разрабатываются для пленочного анода TiO 2 NP, тогда как для анода из ZnO не существует эффективного красителя [26,51]. Помимо скорости переноса электронов в фотоаноде, превосходная эффективность DSSC также определяется скоростью инжекции электронов и скоростью регенерации красителя. Уровень энергии НСМО и уровень энергии ВЗМО молекул красителя должны соответствующим образом согласовываться с минимумом зоны проводимости фотоанода и окислительно-восстановительным потенциалом окислительно-восстановительного медиатора в электролите, соответственно.Для большинства распространенных красителей эффективность инжекции электронов в DSSC на основе ZnO ниже, чем в DSSC на основе TiO 2 , что в основном может быть связано как с низкой диэлектрической проницаемостью, так и с низкой плотностью состояний в зоне проводимости. ZnO [51]. С другой стороны, низкая химическая стабильность ZnO-электрода в кислотном растворе красителя [52] и в присутствии комплексообразующих агентов красителей [53] приводит к ухудшению качества ZnO и затруднению поглощения красителя, о чем сообщалось как наиболее вероятная причина плохой производительности ZnO DSSC [51].

    Показано, что структура кристаллов ZnO разрушается после загрузки красителей на основе комплекса Ru. Протоны, высвобождающиеся из молекул красителя в этанольном растворе, растворяют ZnO с образованием агрегатов Ru-комплексный краситель-Zn 2+ [52]. Было продемонстрировано, что по сравнению с красителем на основе комплекса Ru, меркурохромный краситель более подходит для анода из ZnO, хотя меркурохромный краситель обладает более узким диапазоном поглощения для сбора света [52]. Более частая межфазная рекомбинация электронов происходит в сенсибилизированном красителем Ru ZnO NW DSSC по сравнению с сенсибилизированным меркурохромом красителем из-за более высокой плотности захвата поверхности в фотоаноде ZnO NW после адсорбции красителя Ru.Тем не менее, с оптимизированным процессом сенсибилизации красителя, например, более коротким периодом сенсибилизации красителя и более низкой концентрацией красителя, недавние результаты показывают, что сенсибилизированные красителем Ru DSSC на основе ZnO также демонстрируют обнадеживающую эффективность из-за относительно высокой плотности фототока [50].

    Индолиновые красители сравнительно хорошо сочетаются с ZnO из-за его более низкой кислотности и отсутствия комплексообразующего агента [26,51]. Благодаря высокому коэффициенту экстинкции эффективность DSSC на основе ZnO выше ~ 5% может быть достигнута с использованием индолинового красителя, кодированного D149 [26,54].Однако длины волн поглощения красителя D149 ограничены диапазоном видимого света, который намного уже, чем у красителя рутения [26]. Узкий диапазон поглощения может ограничивать эффективность D149-сенсибилизированных ZnO DSSC. В отсутствие красителей, специально разработанных для анодов ZnO, улучшение характеристик DSSC на основе ZnO может быть реализовано за счет использования разнообразных наноструктур ZnO [27–29,55–57].

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *