Каждый электронный прибор, который включен в сеть нуждается в защите от превышения пороговых значений тока или напряжения. Для защиты по току применяют различные плавкие предохранители и автоматические выключатели, а вот для предохранения устройства от перенапряжения чаще всего применяют варисторы. В данной статье мы рассмотрим принцип работы варистора, его характеристики, достоинства и недостатки этого электронного компонента.
Что такое варистор
Варистор – это выполненный из полупроводникового материала переменный резистор, который способен изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от приложенного к нему напряжения.
Принцип действия у такого электронного компонента отличается от обычного резистора и потенциометра. Стандартный резистор имеет постоянное во величине сопротивление в любой промежуток времени вне зависимости от напряжения в цепи, потенциометр позволяет менять сопротивление вручную, поворачивая ручку управления. А вот варистор обладает нелинейной симметричной вольтамперной характеристикой и его сопротивление полностью зависит от напряжения в цепи.
Благодаря этому свойству, варисторы широко и эффективно применяют для защиты электрических сетей, машин и оборудования, а также радиоэлектронных компонентов, плат и микросхем вне зависимости от вида напряжения. Они имеют невысокую цену изготовления, надежны в использовании и способны выдерживать высокие нагрузки.
Варисторы применяются, как в высоковольтных установках до 20 кВ, так и в низковольтных от 3 до 200 В в качестве ограничителя напряжения. При этом они могут работать, как в сетях с переменным, так и с постоянным током. Их используют для регулировки и стабилизации тока и напряжения, а также в защитных устройствах от перенапряжения. Используются в конструкции сетевых фильтров, блоков питания, мобильных телефонов, УЗИП и других ОИН.
Форма волны переменного тока в переходном процессе
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. Варисторы также могут быть использованы для стабилизации постоянного напряжения и главным образом для защиты электронной схемы от высоких импульсов напряжения.
Свойства варистора
Основное свойство варистора заключается в его особенности сокращать своё собственное сопротивление в зависимости от поступающего на него напряжения. Чем выше подаётся напряжение, тем более меньшим сопротивлением он начинает обладать. Варисторы подключаются в электрическую плату параллельно защищаемому устройству, в штатном режиме варистор работает при номинальном напряжении того устройства, которое он защищает.
В обычном режиме электричество проходящее сквозь варистор ничтожно мало, и поэтому он в подобных условиях выполняет роль изолятора.
Если возникает резкий скачок электричества варистор из-за нелинейной своей характеристики мгновенно сокращает значение своего сопротивления до десятых долей Ома и снимает нагрузку с общей сети, защищая ее, излучая теплом излишек полученной энергии. В подобных ситуациях сквозь варистор может мгновенно проходить напряжение силой в тысячи ампер.
Варистор совершенно безынерционный прибор, как только увеличивается напряжение в сети, в нём тотчас же падает его сопротивление.
Характеристики
Варистор представляет собой полупроводниковый резистор с нелинейной вольт-амперной характеристикой, ее график показан на рисунке 2.
Рис. 2. Типичные вольт-амперные характеристики: А – варистора, В – обычного резистора
Как видно из графика, когда напряжение на полупроводнике достигает порогового значения, резко увеличивается сила тока, что вызвано понижением сопротивления. Эта характеристика позволяет использовать варистор в качестве защиты от кратковременных скачков напряжения.
Виды варисторов
По внешнему виду бывают:
- пленочные;
- в виде таблеток;
- стержневой;
- дисковый.
Стержневые могут снабжаться подвижным контактом. Выглядеть они будут соответственно названию. Кроме того, бывают низковольтные, 3—200 В и высоковольтные 20 кВ. У первых ток колеблется в пределах 0,0001—1 А. На обозначение по схеме это никак не влияет. В радиоаппаратуре, конечно, применяют низковольтные.
Чтобы проверить работоспособность варистора необходимо обратить внимание на внешний вид. Его можно найти на входе схемы (где подводится питание). Так как через него проходит очень большой ток — по сравнению с защищаемой схемой — это, как правило, сказывается на его корпусе (сколы, обгоревшие места, потемнение лакового покрытия). А также на самой плате: в месте пайки могут отслаиваться монтажные дорожки, потемнение платы. В этом случае его необходимо заменить.
Однако, даже если нет видимых признаков, варистор может быть неисправным. Чтобы проверить его исправность придется отпаять один его вывод, в противном случае будем проверять саму схему. Для прозвонки обычно используется мультиметр (хотя можно, конечно, и мегомметр попробовать, только необходимо учитывать напряжение, которое он создает, чтобы не спалить варистор). Прозвонить его несложно, подключение производится к контактам и измеряется его сопротивление. Тестер ставим на максимально возможный предел и смотрим, чтобы значение было не меньше несколько сотен Мом, при условии, что напряжение мультиметра не превышает напряжение срабатывания варистора.
Впрочем, бесконечно большое сопротивление, при условии, что омметр довольно мощный (если можно это слово использовать), это также говорит о неисправности. При проверке полупроводника необходимо помнить что это всё-таки проводник и он должен показать сопротивление, в противном случае мы имеем полностью сгоревшую деталь.
Принцип действия варисторов
В обычном состоянии варистор имеет очень большое сопротивление (по разным источникам от сотен миллионов Ом до миллиардов Ом). Он почти не пропускает через себя ток. Стоит напряжению превысить допустимое значение, как прибор теряет свое сопротивление в тысячи, а то и в миллионы раз. После нормализации напряжения его сопротивление восстанавливается. Если варистор подключить параллельно электроприбору, то при скачке напряжения вся нагрузка придется на него, а приборы останутся в безопасности.
Принцип работы варистора, если объяснять на пальцах, сводится к следующему. При скачке в электрической сети он выполняет роль клапана, пропуская через себя электрический ток в таком объеме, чтобы снизить потенциал до необходимого уровня. После того как напряжение стабилизируется этот «клапан» закрывается и наша электросхема продолжает работать в штатном расписании. В этом и состоит назначение варистора.
Маркировка, основные характеристики и параметры
Каждый производитель варисторов маркирует свой продукт определенным образом, поэтому существует достаточно большое количество вариантов обозначений и их расшифровок. Наиболее распространенным российским варистором является К275, а популярными компонентами иностранного производства являются 7n471k, kl472m и другие.
Советуем к прочтению: Управление шаговым двигателем
Расшифровать обозначение варистора CNR-10d751k можно следующим образом: CNR – металлооксидный варистор; d – означает, что компонент в форме диска; 10 – это диаметр диска; 751 –напряжение срабатывания для данного устройства (расчёт происходит путём умножения первых двух цифр на 10 в степени равной третьей цифре, то есть 75 умножаем на 10 в первой степени получатся 750 В); k – допустимое отклонение номинального напряжения, которое равно 10 % в любую сторону (l – 15%, M – 20%, P – 25 %).
Основными характеристиками варисторов являются следующие параметры:
Классификационное напряжение – напряжение при определенных значениях тока, протекающего через варистор (обычно данное значение составляет 1 мА). Этот параметр является условным и не влияет на выбор устройства;
Максимально допустимое напряжение – диапазон напряжения (среднеквадратичное или действующее значение), при котором варистор начинает понижать свое сопротивление;
Максимальная энергия поглощения – характеристика, показывающая значение энергии, которую варистор рассеивает и не выходит из строя при воздействии одиночного импульса (измеряется в Джоулях);
Максимальный импульсный ток – нормирует время нарастания и длительность действия импульса тока (измеряется в Амперах);
Ёмкость – очень важный параметр, который измеряется при закрытом состоянии и заданной частоте (падает до нуля, если к варистору приложен большой ток);
Допустимое отклонение – отклонение от номинальной разности потенциалов в обе стороны (указывается в процентах).
Время срабатывания – промежуток времени, за который варистор переходит из закрытого состояния в открытое (обычно несколько десятков наносекунд).
Особенности маркировки
Существует много вариантов обозначений, которые применяют производители. На маркировку главное влияние оказывают технические характеристики отдельно взятого варистора. К таким показателям обычно относятся требуемый уровень тока или допустимое напряжение.
Разность в параметрах обуславливает и варианты маркировки. В число наиболее популярных аббревиатур входит обозначение CNR с добавлением набора символов 07D390K.
Рассмотрим, как расшифровывается каждый из имеющихся символов. CNR – это вид самого прибора. В нашем случае речь идет о металлооксидном варисторе.
Преимущества и недостатки варисторов
Важными преимуществами нелинейного резистора (варистора) является его стабильная и надежная работа с высокими частотами и большими нагрузками. Он применяется во многих устройствах, работающих с напряжениями от 3 В до 20 кВ, относительно прост и дешёв в производстве и эффективен в эксплуатации. Дополнительными важными преимуществами являются:
- высокая скорость срабатывания (наносекунды);
- длительный срок службы;
- возможность отслеживания перепадов напряжения (безынерционный метод).
Несмотря на то, что данный электронный компонент имеет достаточно много преимуществ, он имеет и недостатки, которые влияют на его применение в различных системах. К ним можно отнести:
- низкочастотный шум при работе;
- старение компонента (утрата параметров со временем);
- большая емкость: зависит от напряжения и типа элемента, находится в диапазоне от 70 до 3200 пФ и влияет на работоспособность устройства;
- при максимальных значениях напряжения мощность не рассеивается – значительно перегревается и выходит из строя при длительных максимальных значениях напряжения.
Диагностика
Чтобы проверить данное электронное устройство, используют специальное оборудование, которое называется тестером. Итак, для проведения испытания понадобится варистор, принцип работы которого заключается в изменении параметров сопротивления, и тестирующее устройство. Перед его началом необходимо включить устройство и переключить в режим сопротивления. Только тогда аппарат будет отвечать всем необходимым техническим требованиям, и величина сопротивления будет огромной.
Перед началом проведения испытаний необходимо проверить техническое состояние прибора. В первую очередь следует посмотреть на его внешний вид. На приборе не должно быть трещин, а также признаков того, что он сгорел. Не стоит относиться к осмотру аппарата халатно, так как любая небольшая поломка может привести к возникновению неприятных обстоятельств.
Подбор варистора
Чтобы правильно подобрать варистор для определенного устройства необходимо знать характеристики его источника питания: сопротивление и мощность импульсов переходных процессов. Максимально допустимое значение тока определяется в том числе длительностью его воздействия и количеством повторений, поэтому при установке варистора с заниженным значением пикового тока, он достаточно быстро выйдет из строя. Если говорить кратко, то для эффективной защиты прибора необходимо выбирать варистор с напряжением, имеющим небольшой запас к номинальному.
Также для безотказной работы такого электронного компонента очень важна скорость рассеивания поглощенной тепловой энергии и возможность быстро возвращаться в состояние нормальной работы.
Как проверить варистор мультиметром?
Проверка варистора с помощью тестера или мультиметра – это полезный навык для радиолюбителей и людей, которые сами с руками и любят заняться ремонтом сломанной техники самостоятельно. Речь об этом пойдет в данной статье. Для чего предназначен варистор и что он делает, достаточно подробно расписано в данной статье – статья о варисторе.
Но немного вспомним: варистор предназначен для защиты переменных либо постоянных цепей от перенапряжения. Он стоит параллельно защищаемой цепи и в обычном состоянии имеет высокое сопротивление.
При достижении порогового напряжения, которое зависит от марки варистора, у него понижается сопротивление с очень большого, до очень маленького. Варистор поглощает это перенапряжение и рассеивает его в атмосфере в виде тепла.
Тем самым он удаляет из схемы излишек энергии, тем самым защищает цепь от выхода из строя.
Теперь приступим к проверке. Перед тем как использовать тестер осмотрите внимательно радиоэлемент. Возможно на нем будут следы подгорания, сколы или он вовсе разломался.
Советуем к прочтению: Как измерить сопротивление мультиметром: инструкции, фото, видео
Внимательный осмотр избавит вас от лишнего труда, хоть проверка с помощью прибора не занимает много усилий, но все же.
Так же варистор может терять свои свойства в течении времени, от внешних условий и в процессе старения – на это тоже стоит обратить внимание.
Измерения стрелочным прибором
Такое устройство считается аналоговым. В его конструкции используется электромеханическая головка. Она представляет собой рамку, помещаемую в магнитное поле. В зависимости от силы тока стрелка в рамке отклоняется, останавливаясь в определённом положении. Диапазон отклонения стрелки проградуирован числами, согласно которым и вычисляется сопротивление.
Перед тем как приступить к проверке варистора, стрелочный мультиметр понадобится настроить. Для этого выполняется его калибровка. Её суть сводится к выставлению нулевого положения стрелки путём вращения специальной ручки при замыкании щупов друг с другом.
Для этого кнопкой переключения выбирается режим работы, соответствующий значку «Ω», а галетный переключатель устанавливается на самый большой предел измерения сопротивления тестером. Чаще всего он обозначается как «х100», что соответствует мегаомам. Измерение сопротивления происходит от установленного в устройстве источника питания (батарейки). Поэтому, если выставить стрелку в ноль не получается, то батарейку понадобится заменить.
Проводя непосредственно измерения, одним щупом тестера дотрагиваются до одного вывода варистора, а другим — до другого. В итоге возможно три исхода:
- Стрелка отклонится до нуля или покажет сопротивление в районе килоомов. Делается вывод о неисправности элемента (пробой).
- Результат измерений лежит в пределах сотни мегаом. Такое показание указывает на исправность варистора.
- При прикасании к выводам радиоэлемента стрелка никак на это не реагирует. Возможные причины в следующем: диапазона работы прибора не хватает для измерения величины сопротивления варистора, неисправен прибор, неисправен радиоэлемент (обрыв).
Цифровой тестер
Используя цифровой мультиметр, проверить варистор на работоспособность будет немного проще, чем аналоговым. Это связано с тем, что цифровой тестер в своей конструкции имеет жк-дисплей, на котором наглядно отображается измеренное сопротивление.
В основе работы тестера такого тип лежит аналого-цифровой преобразователь, принцип работы которого построен на сравнение измеряемого сигнала с опорным. Следует отметить, что, если при включении тестера на экране высвечивается значок мигающей батарейки, то элемент питания понадобится заменить. Порядок измерения сопротивления варистора можно представить в виде следующих действий:
Переключателем устанавливается максимальный предел измерения сопротивления. Обычно этот предел указывается числом и буквой. Если написаны просто числа, то единица измерения — Ом, буква K после числа обозначает килоом, буква M — мегаом.
- Щупы фиксируются на двух выводах варистора, а обратные концы проводов со штекерами вставляются в гнёзда тестера, обозначенные Ω и СОМ. Так как полярность приложенного сигнала к варистору значения не имеет, то и неважно, какой провод подключается к тому или иному выводу элемента. Хотя принято, что в разъём СОМ вставляется шнур чёрного цвета.
- Устройство включается путём нажатия на тестере кнопки ON/OFF.
- Если на индикаторе высвечивается единица, то это обозначает, что выбран малый предел измерений.
- Если на экране отображаются цифры отличные от единицы, то это и есть величина измеряемого сопротивления.
При трактовке результата измерений следует учитывать ещё и допуск. Каждый радиоэлемент имеет свой показатель допуска. Например, если допуск составляет 10 процентов, а внутреннее сопротивление варистора указано как 100 МОм, то полученные результаты должны находиться в пределах от 90 до 110 МОм. Если выявляется, что измеренное сопротивление элемента находится ниже или выше этого диапазона, то его можно считать неисправным.
Как же найти на плате варистор?
По схеме приведённой выше, видно что этот элемент находится рядом с предохранителем в месте прихода на плату проводов питания. Обычно это диск жёлтого или тёмно-зелёного цвета.
На фото варистор указан красной стрелкой. Можно было подумать что варистор это синяя деталь, покрытая чёрной копотью, но на увеличении видно трещины на корпусе варистора, от которого покрылись нагаром расположенные рядом детали. Хорошо это видно и с обратной стороны, где написаны условные обозначения. Даже если их не будет, распознать варистор можно, зная что он подсоединён параллельно нагрузке или по маркировке на его корпусе.
VA1- это варистор, а синяя деталь рядом это конденсатор-С70.
Не путайте их, по форме они одинаковые, так что ориентируйтесь на маркировку и условные обозначения на плате.
После того как вы нашли варистор, его нужно выпаять, чтобы потом на его место установить новый. Для выпаивания варисторов я обычно использую газовый паяльник, потому что не всегда в месте ремонта есть электропитание — на строящемся объекте, на крыше, например. Ещё очень удобно пользоваться оловоотсосом -разогреть место пайки и оловоотсосом удалить расплавившийся припой.
Но для этих целей вполне подойдёт пинцет или обычные плоскогубцы-нужно захватить ножку детали и вытянуть когда припой расплавится. Если у вас плохо плавится припой, то скорее всего он на плате высокотемпературный-так называемый бессвинцовый (может заметили на моей плате надпись PbF — плюмбум фри). В этом случае нужно или увеличить температуру жала паяльника или же капнуть сверху другого более низкотемпературного, место пайки расплавится и можно будет удалить деталь. После этого вставляем новый варистор и припаиваем его.
Советуем к прочтению: Тиристоры: принцип работы, проверка и характеристики
Для пайки очень удобно пользоваться припоем в виде проволоки у которого внутри уже есть флюс.
Ещё обратите внимание, что большинство плат — двусторонние, поэтому припаивать ножки детали нужно с обеих сторон платы, так как нередко бывает что ножка детали выполняет роль перемычки между дорожками с разных сторон платы.
После замены варистора остаётся только поставить новый предохранитель и установить плату на место.
Обычно в платах кондиционера стоят варисторы на напряжение 470 В, и предохранители номиналом от 0.5 А до 5 А. Поэтому рекомендую всегда иметь при себе небольшой запас этих деталей.
Для тех кому требуется отремонтировать плату, путём замены варистора, помогут наши сервисные специалисты, цены смотрите здесь.
Обозначение на схеме и варианты подключения варистора
На схемах варистор обычно обозначается, как обычный резистор, но с добавлением буквы U рядом с наклонной чертой. Эта черта и указывает в схемах на то, что данный элемент имеет зависимость сопротивления от напряжения в цепи. Также на электрической схеме этот элемент маркируется двумя буквами R и U с добавлением порядкового номера (RU1, RU2 … и т.д.).
Существует большое количество вариантов подключения варисторов, но общее для всех способов – это то, что данный компонент подключается параллельно цепи питания. Поэтому при отсутствии опасных значений импульсов напряжения, ток, который протекает через варистор имеет малую величину (ввиду больших значений сопротивления) и никак не влияет на работоспособность системы. При возникновении перенапряжения, варистор изменяет сопротивление до малых величин, нагрузка шунтируется, и поглощенная энергия рассеивается в окружающее пространство.
Общие сведения
Варистор (varistor) является полупроводниковым резистором, уменьшающим величину своего сопротивления при увеличении напряжения. Условное графическое обозначение (УГО) представлено на рисунке 1, на котором изображена зависимость сопротивления радиокомпонента от величины напряжения. На схемах обозначается znr. Если их больше одного, то обозначается в следующем виде: znr1, znr2 и т. д.
Рисунок 1 — УГО варистора.
Многие начинающие радиолюбители путают переменный резистор и варистор. Принцип действия, основные характеристики и параметры этого элемента отличаются от переменного резистора. Кроме того, распространенной ошибкой составления электрических принципиальных схем является неверное его УГО. Варистор выглядит как конденсатор и распознается только по маркировке.
Применение в быту
Характеристики элемента позволяют применять его в устройствах, связанных с каналами связи, различными входами для оборудования, использовать варисторы для генераторов.
Они устанавливаются в сетевых фильтрах специальных удлинителей, а также в других качественных входных моделях для защиты. Элемент рекомендуется монтировать в китайскую технику во избежание быстрых поломок. Для обеспечения безопасности всего помещения варистор необходимо установить на дин-рейку.
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:
Варисторы «образуются», когда кристаллы карбида кремния или оксидов металлов вдавливаются в керамический материал.
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*10y, в нашем случае это 47*101, 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.
Маркировка
Мы уже достаточно внимания уделили изучению того, чем является варистор. Маркировка этого прибора сложна, и поэтому при приобретении устройства о нём нельзя судить по данным, размещенным на корпусе. Рассмотрим на вот таком примере: есть CNR-06D400K. CNR – это название типа, в данном случае перед нами металлооксидный варистор. 06 – он имеет диаметр в 6 миллиметров. D – перед нами дисковый варистор. 400 – напряжение срабатывания. K – эта буква говорит о том, что допуск возможного отклонения имеет погрешность в 10%. Если говорить о компьютерной технике, то у них варисторы рассчитаны на 470В. Согласитесь, немало. Но ведь существует не один варистор! Маркировка этих деталей проводится каждым крупным производителем по-своему, поэтому универсальных и стандартизированных правил распознавания нет. Поэтому нужно пользоваться или помощью продавцов, или прибегать к услугам справочников.
Изготовление варистора
Объясняется все это устройством варистора. Состоит варистор из полупроводника и различных материалов для связывания. Распространена такая связка – карбид кремния и эпоксидная смола. Их сплавляют при высоких температурах. Затем, поверхность варистора покрывается металлом и припаиваются выходы.
Конструкция варистора
Способность проводить большое напряжение через себя варистором обеспечивается материалом – кремнием. При нагревании кристаллы карбида кремния значительно уменьшают свое сопротивление. И ток может спокойно проходить по ним.
Однако, все большее распространение получают варисторы из оксида цинка. Они проще в изготовление и могут пропускать через себя более высоковольтные импульсы. Техника их производства схожа с производством керамических варисторов.
Варисторы бывают различных форм – колбочки, палочки, диски. Все зависит от производителя.
Разные формы варисторов
Значения емкостного сопротивления
Поскольку основная проводящая область варистора между двумя его выводами ведет себя как диэлектрик, ниже его напряжения зажима варистор действует как конденсатор, а не как резистор. Каждый полупроводниковый варистор имеет значение емкости, которое напрямую зависит от его площади и обратно пропорционально его толщине.
При использовании в цепях постоянного тока емкость варистора остается более или менее постоянной при условии, что приложенное напряжение не увеличивается выше уровня напряжения зажима и резко падает вблизи своего максимального номинального постоянного напряжения постоянного тока.
Читать также: Пресс своими руками из домкрата чертежи размеры
Однако в цепях переменного тока эта емкость может влиять на сопротивление корпуса устройства в области непроводящей утечки его характеристик IV. Поскольку они обычно соединены параллельно с электрическим устройством для защиты от перенапряжения, сопротивление утечки варисторов быстро падает с увеличением частоты.
Это соотношение приблизительно линейно с частотой, и полученное в результате параллельное сопротивление, его реактивное сопротивление переменного тока Xc может быть рассчитано с использованием обычного 1 / (2πƒC), как для обычного конденсатора. Затем, когда частота увеличивается, увеличивается и ток утечки.
Но наряду с варисторами на основе кремниевых полупроводников были разработаны варисторы на основе оксидов металлов, чтобы преодолеть некоторые ограничения, связанные с их кузенами из карбида кремния.
