Варистор: полупроводниковый резистор с нелинейной ВАХ¶
Варистор — полупроводниковый резистивный элемент с симметричной нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ), электрическое сопротивление которого резко уменьшается при возрастании приложенного напряжения выше определённого порога. Основное назначение — защита электронных цепей от импульсных перенапряжений: коммутационных выбросов, атмосферных помех, последствий индуктивных процессов. Варисторы широко применяются в промышленной и бытовой электронике, силовой аппаратуре, линиях электропередачи.
¶Принцип работы
Вольт-амперная характеристика варистора несимметрична относительно начала координат, но симметрична относительно вертикальной оси: элемент одинаково реагирует на переменное напряжение обеих полярностей. При напряжении ниже порогового (нелинейного) значения варистор обладает очень высоким сопротивлением (единицы-тысячи мегаом) и практически не влияет на работу цепи. Когда приложенное напряжение достигает порога, сопротивление падает на несколько порядков, и варистор начинает пропускать ток, ограничивая рост напряжения на защищаемом участке.
Ключевые параметры:
| Параметр | Обозначение | Назначение |
|---|---|---|
| Напряжение варистора при токе 1 мА | U1mA (или U0,1mA) | Основная номинальная характеристика, определяющая порог срабатывания |
| Максимальное допустимое переменное напряжение | U~AC | Верхний предел рабочего напряжения без срабатывания |
| Максимальный импульсный ток | Ipeak | Пиковый ток разряда, который элемент выдерживает без разрушения |
| Энергия рассеивания | W (Дж) | Максимальная энергия импульса, поглощаемая за один разряд |
| Ёмкость | C (пФ) | Паразитная ёмкость, ограничивающая частотный диапазон |
¶Виды и материалы
По типу материала различают:
- Оксидные (керамические) варисторы — наиболее распространённый тип. Изготавливаются из спечённой керамики на основе оксида цинка (ZnO) с добавками оксидов висмута, сурьмы, кобальта, марганца и других элементов. Зерна ZnO образуют полупроводниковую структуру, а границы зёрен работают как множество последовательно-параллельно соединённых барьеров Шоттки. Именно границы зёрен определяют нелинейность ВАХ.
- Полимерные варисторы — на основе полимерной матрицы с наполнителем из оксида цинка. Обладают меньшей ёмкостью и более высокой скоростью срабатывания, применяются в телекоммуникационных и компьютерных интерфейсах.
- Силиконовые варисторы — изготавливаются на кремниевой основе, используются в схемах с малыми габаритами и низкими энергиями.
¶Применение
¶Защита электронных схем
Варисторы устанавливаются параллельно защищаемой нагрузке или цепи. При импульсе перенапряжения элемент «закорачивает» избыточную энергию, не давая напряжению подняться до опасного уровня. Типовые области:
- входные фильтры блоков питания (защита от скачков в сети 220 В);
- схемы включения/выключения реле, тиристоров и симисторов (гашение индуктивных выбросов);
- порты телекоммуникационного оборудования, Ethernet-интерфейсы;
- автомобильная электроника (защита бортовой сети от скачков при запуске двигателя);
- системы молниезащиты на вводах в здания и в распределительные щиты.
¶Силовая электротехника
Крупногабаритные варисторы на основе оксида цинка применяются в разрядниках и ограничителях перенапряжения (ОПН) линий электропередачи и подстанций. Они рассчитаны на импульсы тока в десятки килоампер и энергию в сотни джоулей.
¶Выбор и включение
При выборе варистора учитывают:
- Напряжение срабатывания — должно превышать максимальное рабочее напряжение цепи с запасом (для сети 220 В переменного тока используют варисторы с U~AC ≈ 275–300 В).
- Энергию рассеивания — суммарная энергия ожидаемых импульсов не должна превышать номинальную, иначе элемент перегреется и разрушится.
- Ёмкость — для высокочастотных цепей выбирают элементы с малой ёмкостью (полимерные или силиконовые).
Варистор подключается параллельно нагрузке; последовательно с ним нередко устанавливают плавкий предохранитель или термистор для ограничения тока и защиты от вторичного пробоя. При длительном воздействии перенапряжений или деградации элемента возможен короткий замыкание, поэтому в сетевых устройствах варисторы всегда защищают предохранителем.
¶Ограничения
Варистор не обеспечивает гальванической развязки и не фильтрует помехи — он только ограничивает амплитуду импульса. Скорость срабатывания оксидных варисторов — единицы-десятки наносекунд, что достаточно для большинства приложений, но может быть недостаточно для защиты сверхбыстрых полупроводниковых структур. Элемент имеет ограниченный ресурс: каждый импульс незначительно деградирует керамику, поэтому варисторы периодически заменяют, особенно в сетях с нестабильным напряжением.
¶Историческая справка
Исследование нелинейных свойств спечённого оксида цинка ведётся с 1920-х годов, а промышленное производство оксидных варисторов началось в 1960-х годах в США и Японии. В СССР варисторы серии ВЛ, ВН и ВНР выпускались на заводах радиокомпонентов и применялись в промышленной автоматике, телевизионной технике и военной электронике. В настоящее время крупнейшими производителями являются компании Японии, Китая, США и России (в частности, «Элконт» и «Компэл»).
¶Источники
- Гуревич А. Г. «Электрические цепи с нелинейными элементами»
- Даташиты варисторов Vishay, TDK, Epcos, «Элконт»
- Справочник по электротехнике: ограничители перенапряжения и молниезащита
- ГОСТ 28752—90 «Резисторы постоянные. Общие технические условия»