Варисторы: принцип действия и применение

Александр Кораблев

В кратком обзоре приведены основные сведения о конструкции и принципе действия металл-оксидных варисторов. Показаны примеры включения варисторов для защиты однофазных и трехфазных цепей переменного тока.

Введение

История варисторов началась в 1975 г., когда американский инженер Джеймс Траммелл (James D. Trammell) получил патент на защиту цепей электропривода от перенапряжений с помощью варисторов, состоящих из пластин оксиды цинка (ZnO). С тех пор технология производства варисторов шагнула вперед, вместо пластин используются гранулы оксида цинка, и к ним в качестве присадки иногда добавляются гранулы оксида других металлов, отсюда и название «металл-оксидные варисторы», или, в англоязычной литературе, Metal Oxide Varistor – MOV.

Следует сразу оговориться, что помимо варисторов для защиты цепей от перенапряжения используются и другие компоненты:

• газовые разрядники;
• TVS-диоды;
• TSS-тиристоры;
• помехоподавляющие конденсаторы.

Перечисленные компоненты не конкурируют друг с другом, каждый из них занимает свою нишу. Например, варисторы и TVS-диоды не способны заменить газовые разрядники. Последние могут защитить изделие от перенапряжений в несколько киловольт и шунтировать ток до 100 кА, поэтому их используют для защиты от перенапряжений, возникающих при разряде молнии. В то же время при защите цепей с низковольтными высокоскоростными сигналами газовые разрядники не могут конкурировать с варисторами и TVS-диодами из-за относительно низкого быстродействия.

В сложных системах с протяженными линиями передачи, расположенными рядом с высоковольтными линиями и в зашумленной мощными электромагнитными помехами средах, используют все перечисленные выше компоненты защиты.

 

Конструкция и принцип действия варистора

Рис. 1. Конструкция варистора

Конструкция варистора схематично показана на рис. 1. Размер гранул варьируется в пределах 20–100 мкм. На рис. 2 показан микрофотографический снимок полированного и вытравленного участка варистора. Свойства границ между гранулами отчасти схожи с полупроводниковым p-n-переходом, поэтому в первом приближении варистор можно рассматривать как массив последовательно и параллельно включенных диодов.

Рис. 2. Микрофотографический снимок полированного и вытравленного участков варистора

К фундаментальным свойствам варисторов следует отнести практически постоянное падение напряжения на границах гранул, оно составляет 2–3 В и не зависит от размера гранул. Таким образом, максимальное напряжение варисторов определяется размером и количеством зерен. Для высоких напряжений производят многослойные варисторы, их конструкция во многом схожа с многослойными керамическими конденсаторами. Если напряжение, приложенное к варистору, превышает максимальное напряжение варистора, это приводит к его пробою.

Рис. 3. Вольт-амперная характеристики варистора

Поликристаллическая структура металл-оксидных варисторов сложна для анализа. До сих пор продолжаются экспериментальные и теоретические исследования, посвященные уточнению физических процессов, протекающих на границах гранул. Но для инженера-схемотехника вполне достаточно данных, приводимых в документации изготовителя и вольт-амперной характеристики варистора — она показана на рис. 3. На рисунке используются следующие обозначения:

• V_RM – максимальное рабочее напряжение при нормированном производителем токе утечки;
• I_RM – нормированный производителем ток утечки;
• I_PP – максимальный импульсный ток для волны перенапряжения с заданными параметрами;
• V_BR – напряжение начала пробоя, при котором ток утечки достигает 1 мА;
• V_CL – напряжение ограничения.

Помимо указанных параметров, важными являются максимальная рассеиваемая мощность Р_РР и паразитная емкость варистора C_V, которая измеряется при частоте 1 МГц и приложенном напряжении 30 мВ. Следует сказать, что варисторы характеризуются хорошей температурной стабильностью, неизменное значение максимальной рассеиваемой мощности сохраняется вплоть до температуры окружающей среды +125 °С. Быстродействие варистора, время его срабатывания лежит в диапазоне 0,3–0,7 нс.

Рис. 4. Эквивалентная схема варистора

Эквивалентная схема варистора представлена на рис. 4. На этой схеме резистор R_X отражает нелинейное сопротивление варистора: в зависимости от состояния варистора его величина может лежать в пределах 0–∞, при малых токах этим резистором можно пренебречь. Резисторы R_OFF отражает сопротивление варистора при малых токах, его величина достигает 1 ГОм. Резистор R_ON отражает сопротивление варистора при максимальном токе, его величина обратно пропорциональна максимальной мощности Р_РР.

Рис. 5. Реакция варистора на импульс с высокой скоростью нарастания

Быстродействие варистора частично иллюстрирует рис. 5. На нем можно видеть, что реакция варистора на импульс со скоростью нарастания примерно 700 В/нс не превышает 0,5 нс. Колебания напряжения ограничения варистора формируются из-за паразитных емкостей и индуктивностей варистора и проводов. При столь высокой скорости нарастания тестового импульса напряжения даже незначительные паразитные емкости и индуктивности проводов будут влиять на напряжения ограничения, поэтому выделить действие «чистого» варистора без соединительных проводов не удается.

 

Тестирование компонентов защиты

Рис. 6. Испытательный импульс тока

Тестирование компонентов защиты, в том числе варисторов, в зависимости от отрасли нормируется целым рядом стандартов. Однако во всех из них используются одинаковые тестовые импульсы напряжения и тока. На рис. 6 показана форма испытательного импульса тока, используемого для проверки на устойчивость к внешним электростатическим разрядам. Длительность фронта нарастания тока должна составлять 0,8 нс, а пиковое значение тока варьируется в зависимости от испытываемого компонента и области его применения.

Рис. 7. Испытательный импульс напряжения

На рис. 7 показан испытательный импульс напряжения. Мощность импульса вычисляется на закрашенном участке, а сам импульс описывается соотношением t1/t2, например 8/20 мкс, 5/50 нс, 10/100 нс. Возможны и другие формы импульса. Мощность и вид импульса зависят от типа испытываемого компонента и области его применения. Типовая испытательная установка показана на рис. 8.

Рис. 8. Типовая испытательная установка

Выше было отмечено, что реакция варистора на импульс напряжения с быстрым фронтом нарастания лишь частично описывает быстродействие варистора. Поэтому более показательна реакция варистора на величину максимального тока испытательного импульса: эта реакция изображена на рис. 9. Как видно из рисунка, чем больше амплитуда тока и чем быстрее фронт его нарастания, тем выше напряжение ограничения варистора. В этом результате нет ничего удивительного: быстродействие варистора, как и любого другого элемента электрической цепи, ограничено, поэтому его реакция на внешнее воздействие запаздывает.

Рис. 9. Реакция варистора на величину максимального тока испытательного импульса 

Применение варисторов

Напряжение ограничения варисторов лежит в широком диапазоне, примерно 10–1000 В, максимальная рассеиваемая ими энергия также варьируется в очень широких пределах — от долей джоуля до нескольких тысяч джоулей. Поэтому и область их применения чрезвычайно широка: от низковольтных сигнальных до высоковольтных мощных цепей.

 При использовании варисторов в низковольтных цепях следует иметь в виду, что помимо внешних защитных компонентов элементы схемы имеют и встроенную защиту. Например, микросхемы памяти EEPROM могут выдерживать кратковременное перенапряжение до 100 В, примерно такую же встроенную защиту имеют и микросхемы КМОП.

Рис. 10. Пример использование варистора для защиты транзистора

Рис. 11. Пример использование варистора для защиты контакта механического переключателя

На рис. 10 показан пример использование варистора для защиты транзистора от перенапряжения, возникающего при его выключении из-за индуктивной нагрузки. На рис. 11 варистор защищает от перенапряжения контакт механического переключателя. На рис. 12 приведено включение варистора для защиты однофазной линии питания без заземления и с заземлением.

Рис. 12. Включение варистора для защиты однофазной линии питания без заземления (а) и с заземлением (б)

На рис. 13 и 14 показаны варианты корректного и неверного включения варисторов при защите трехфазных цепей от синфазного и дифференциального перенапряжения соответственно. Напомним, что синфазное перенапряжение одинаково во всех фазах трехфазной цепи и действует между фазами и землей, поэтому включение варисторов, ограничивающих синфазное пепренапряжение, между фазами (рис. 13а) не имеет смысла, они должны быть включены между фазами и землей, как показано на рис. 13б. Дифференциальное перенапряжение прикладывается между фазами, поэтому и варисторы, ограничивающие перенапряжение должны быть включены между фазами (14б), а не между фазами и землей (14а). 

Рис. 13.Защита трехфазных цепей от синфазного перенапряжения. Неверное включение варисторов (а), правильное включение (б)

Рис. 14. Защита трехфазных цепей от дифференциального перенапряжения. Неверное включение варисторов (а), правильное включение (б)

Вы можете ознакомиться с ассортиментом варисторов по ссылке.