- Что такое варистор и где применяется
- Устройство
- Виды и принцип работы
- Маркировка, основные характеристики и параметры
- Статическое сопротивление варистора
- Как же найти на плате варистор
- Варианты применения
- Пример реализации защиты
- Преимущества и недостатки варисторов
- Положительные стороны варисторов
- Отрицательные стороны
- Подбор варистора
- Рекомендации к установке
- Обозначение на схеме и варианты подключения варистора
- Проверка на исправность
- Мультиметром
- Измерения стрелочным прибором
- Цифровой тестер
- Применение реостата
- Прозвон
- Причины неисправности
Что такое варистор и где применяется
Варистор представляет собой переменный резистор из полупроводникового материала, способный изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от приложенного к нему напряжения.
Принцип работы такого электронного компонента отличается от обычного резистора и потенциометра. Стандартный резистор имеет постоянное значение сопротивления в любой момент времени независимо от напряжения в цепи, потенциометр позволяет изменять сопротивление вручную поворотом ручки управления. Но варистор имеет нелинейную симметричную ВАХ и его сопротивление полностью зависит от напряжения в цепи.
Благодаря этому свойству варисторы широко и эффективно применяются для защиты электрических сетей, машин и оборудования, а также электронных компонентов, плат и микросхем независимо от вида напряжения. Они недороги в производстве, надежны в эксплуатации и выдерживают высокие нагрузки.
Варисторы применяются как в высоковольтных установках до 20 кВ, так и в низковольтных установках от 3 до 200 В в качестве ограничителя напряжения. При этом они могут работать как в сетях переменного, так и постоянного тока. Применяются для регулирования и стабилизации тока и напряжения, а также в устройствах защиты от перенапряжений. Они используются в конструкции сетевых фильтров, источников питания, мобильных телефонов, SPD и других SPE.
Устройство
Варисторы устроены довольно просто: внутри находится кристалл полупроводникового материала, чаще всего это оксид цинка (ZiO) или карбид кремния (SiC). Прессованный порошок этих материалов подвергается высокотемпературной обработке (запеканию) и покрывается диэлектрическим слоем. Они доступны в исполнении с осевыми выводами, для монтажа в отверстия на печатной плате, а также в SMD-корпусе.
На следующем рисунке наглядно показано внутреннее устройство варистора:
Виды и принцип работы
При работе в нормальных условиях варистор имеет большое сопротивление, которое может падать, когда напряжение превышает пороговое значение. То есть, если напряжение в цепи значительно возрастает, то варистор переходит из изолирующего состояния в электропроводящее состояние и за счет лавинного эффекта в полупроводнике стабилизирует напряжение, пропуская через себя большой ток.
Варисторы могут работать с высоким и низким напряжением и, соответственно, делятся на две группы устройств, имеющих одинаковый принцип работы:
- Высоковольтные — способны работать в цепях с величинами тока до 20 кВ (используются в системах защиты сетей и оборудования, в устройствах защиты от перенапряжений).
- Низкое напряжение: номинальное напряжение для данного типа компонентов варьируется от 3 до 200 В (используются для защиты электронных устройств и компонентов оборудования с током 0,1 — 1А и устанавливаются на входе или выходе источника питания).
Время отклика варистора на скачок напряжения составляет около 25 нс, что является отличной величиной, но в ряде случаев недостаточной. Поэтому производители электронных компонентов разработали технологию изготовления smd-резистора, имеющего время отклика 0,5 нс.
Варисторы всех видов изготавливают из карбида кремния или оксида цинка путем спекания этого материала со связующим (смола, глина, стекло) при высокой температуре. После получения полупроводникового элемента его с обеих сторон покрывают припоем металлических проводов для соединения.
Маркировка, основные характеристики и параметры
Каждый производитель варисторов маркирует свой товар определенным образом, поэтому существует достаточно большое количество вариантов обозначения и их расшифровки. Самый распространенный российский варистор — К275, а популярные комплектующие зарубежного производства — 7н471к, кл472м и другие.
Обозначение варистора ЦНР-10д751к можно расшифровать следующим образом: ЦНР – металлооксидный варистор; г — означает, что компонент имеет форму диска; 10 — диаметр диска; 751 — напряжение срабатывания для данного устройства (расчет производится путем умножения двух первых цифр на 10 в степени, равной третьей цифре, то есть 75 умножить на 10 в первой степени, получаем 750 В); k — допустимое отклонение от номинального напряжения, составляющее 10 % в любую сторону (l — 15 %, М — 20 %, Р — 25 %).
Основными характеристиками варисторов являются следующие параметры:
Номинальное напряжение — напряжение при определенных значениях тока, протекающего через варистор (обычно это значение равно 1 мА). Этот параметр является условным и не влияет на выбор устройства;
Максимально допустимое напряжение — это диапазон напряжения (среднеквадратичное или эффективное значение), в котором варистор начинает уменьшать свое сопротивление;
Максимальная энергия поглощения: характеристика, показывающая значение энергии, которое рассеивает варистор и не выходит из строя при воздействии одиночного импульса (измеряется в джоулях);
Пиковый импульсный ток — нормализует время нарастания и длительность импульса тока (измеряется в амперах);
Емкость — очень важный параметр, который измеряется в закрытом состоянии и на заданной частоте (она падает до нуля, если на варистор подается большой ток);
Допустимое отклонение: отклонение от номинальной разности потенциалов в обе стороны (указано в процентах).
Время работы: интервал времени, в течение которого варистор переходит из закрытого состояния в открытое (обычно несколько десятков наносекунд).
Статическое сопротивление варистора
При нормальной работе варистор имеет очень высокое сопротивление, поэтому его работа аналогична работе стабилитрона. Однако, когда напряжение на варисторе превышает номинальное значение, его эффективное сопротивление сильно уменьшается, как показано на рисунке выше.
Из закона Ома мы знаем, что ток и напряжение напрямую связаны с постоянным сопротивлением. Отсюда следует, что ток прямо пропорционален разности потенциалов на резисторе.
Но вольт-амперная характеристика варистора нелинейна, поэтому малое изменение напряжения приводит к большому изменению тока. Ниже представлена кривая зависимости тока от напряжения для типичного варистора:
Сверху видно, что варистор имеет симметричную двунаправленную характеристику, то есть варистор работает в обоих направлениях (квадрант Ι и ΙΙΙ) синусоиды, аналогично работе стабилитрона.
Когда нет всплесков напряжения, в квадранте IV имеется постоянное значение тока, это ток утечки всего в несколько мкА, протекающий через варистор.
Из-за высокого сопротивления варистор не влияет на цепь питания, пока напряжение остается на номинальном уровне. Уровень номинального напряжения (номинальное напряжение) — это напряжение, которое необходимо приложить к клеммам варистора, чтобы через него протекал ток силой 1 мА. В свою очередь величина этого напряжения будет различаться в зависимости от материала, из которого изготовлен варистор.
При превышении уровня номинального напряжения варистор переходит из изолирующего состояния в электропроводящее. Когда импульсное напряжение, подаваемое на варистор, становится больше номинального значения, его сопротивление резко уменьшается из-за лавинного воздействия на материал полупроводника. При этом небольшой ток утечки, протекающий через варистор, быстро увеличивается, но при этом напряжение на нем остается на несколько более высоком уровне, чем напряжение самого варистора. Другими словами, варистор стабилизирует напряжение на себе, пропуская через себя повышенное значение тока, которое может достигать более ста ампер.
Как же найти на плате варистор
Обозначение варистора на схеме выглядит как классический резистор, перечеркнутый прямой линией, а в левом углу стоит обозначение буквой У. Обычно этот элемент подписывается РУ или ВА.
Основной целью изобретения варистора является обеспечение защиты электрических цепей. За счет изменения сопротивления полупроводниковой структуры при действии высокого напряжения элемент принимает на себя нагрузку повышенного тока, что позволяет избежать в работе и быту электрических скачков, поломок устройств и пожаров. В настоящее время лучшим типом варистора является многослойный элемент. Он обеспечит наилучшую защиту от статического напряжения за счет наименьшего времени отклика (менее 0,5 нс).
Варианты применения
Внешне варистор очень похож на конденсатор, но его внутреннее устройство, как видно на рисунке 3, совершенно другое.
Рис. 3. Схема варистора (1) и его обозначение на схемах (2)
Обозначения:
- А — два металлических электрода дисковидной формы;
- Б — включения оксида цинка (размер кристаллов не наблюдается);
- C — корпус полупроводниковый, выполненный на основе синтетических отвердителей (эпоксидных смол);
- Д — керамический изолятор;
- Е — выводы.
Помимо компоновки, на рис. 3 показано обозначение элементов на принципиальных схемах (2).
Содержание оксида цинка в керамическом изоляционном слое определяет порог срабатывания варистора, как только напряжение превышает допустимое значение, сопротивление резко падает и ток, проходящий через полупроводник, увеличивается. Тепловая энергия, образующаяся в результате этого процесса, рассеивается в воздухе.
Такой принцип работы позволяет избежать выхода из строя электронных устройств при кратковременном падении напряжения. Длинный импульс вызовет перегрев и разрушение варистора, но этот процесс требует времени. Хотя исчисляется долями секунды, в большинстве случаев этого достаточно для срабатывания взрывателя.
Именно поэтому после замены предохранителя необходимо проверить варистор (внешний осмотр и проверка мультиметром). В противном случае очередное падение напряжения, с большой долей вероятности, приведет к разрушению компонентов электронного устройства.
Пример реализации защиты
На рис. 4 показан фрагмент принципиальной схемы блока питания компьютера, на котором хорошо видно типичное подключение варистора (выделено красным).
Рисунок 4. Варистор в блоке питания ATX
Судя по рисунку, в схеме используется элемент TVR 10471K, используем его как пример расшифровки маркировки:
- первые три буквы обозначают тип, в нашем случае это серия ТВР;
- следующие две цифры обозначают диаметр корпуса в миллиметрах, соответственно у нашей штуки диаметр 10 мм;
- за которыми следуют три цифры, обозначающие рабочее напряжение для этого элемента. Расшифровывается так: ХХУ=ХХ*10у, в нашем случае это 47*101, то есть 470 вольт;
- последняя буква обозначает класс точности, «К» соответствует 10%.
Можно встретить и более простую маркировку, например К275, в данном случае К — это класс точности (10%), следующие три цифры обозначают величину действующего напряжения, то есть 275 вольт.
Преимущества и недостатки варисторов
Важным преимуществом нелинейного резистора (варистора) является его стабильная и надежная работа при высоких частотах и больших нагрузках. Применяется во многих устройствах, работающих на напряжение от 3 В до 20 кВ, относительно прост и недорог в изготовлении и эффективен в эксплуатации. Дополнительными важными преимуществами являются:
- высокая скорость отклика (наносекунды);
- долгий срок службы;
- возможность контроля перепадов напряжения (безынерционный метод).
Хотя этот электронный компонент имеет множество преимуществ, он также имеет недостатки, влияющие на его использование в различных системах. Это включает:
- низкочастотный шум при работе;
- старение компонентов (потеря параметров со временем);
- большая емкость – зависит от напряжения и типа элемента, находится в пределах от 70 до 3200 пФ и влияет на производительность устройства;
- при максимальных значениях напряжения энергия не рассеивается; он сильно перегревается и выходит из строя при максимальных долговременных значениях напряжения.
Положительные стороны варисторов
С другой стороны, использование варисторов на работе или дома:
- возможность работы с устройством при больших нагрузках, связанных с высоким напряжением;
- надежная защита варистором аппарата от скачков напряжения;
- низкая цена;
- широкая сфера применения;
- обеспечить надежную работу;
- понятная и простая технология нанесения.
Отрицательные стороны
К основным минусам можно отнести:
- повышенный шум на низких частотах;
- другие недостатки, проявляющиеся в зависимости от индивидуальных особенностей элемента.
Подбор варистора
Чтобы правильно подобрать варистор для конкретного устройства, нужно знать характеристики его блока питания: сопротивление и мощность переходных импульсов. Максимально допустимое значение тока определяется в том числе длительностью его воздействия и количеством повторений, поэтому, установив варистор с заниженным значением пикового тока, он быстро выйдет из строя. Одним словом, для эффективной защиты устройства необходимо выбирать варистор с напряжением, имеющим небольшой запас по отношению к номинальному.
Кроме того, для безотказной работы такого электронного компонента очень важна скорость рассеивания поглощенной тепловой энергии и способность быстро возвращаться в нормальное рабочее состояние.
Рекомендации к установке
Для начала работы с элементом необходимо проверить работоспособность варистора. Необходимо осмотреть его внешний вид на наличие сколов, трещин и краев. Эти дефекты уже могут говорить о браке.
Если эти недостатки отсутствуют, то элемент необходимо проверить мультиметром. Осмотр необходимо проводить в режиме максимального сопротивления, тогда можно будет выявить факт рабочего/нерабочего состояния варистора.
Когда работоспособность устройства подтвердится, можно переходить к установке. Варистор подключается параллельно защищаемому устройству.
Обратите внимание, что при неправильной установке деталь может взорваться, поэтому варисторы необходимо монтировать последовательно с защищаемым устройством.
Обозначение на схеме и варианты подключения варистора
На схемах варистор обычно обозначается как обычный резистор, но с добавлением буквы U рядом с косой чертой. Эта характеристика указывает на схемах, что данный элемент имеет сопротивление, зависящее от напряжения в цепи. Также на электрической схеме этот элемент маркируется двумя буквами Р и У с добавлением порядкового номера (РУ1, РУ2. и так далее).
Вариантов подключения варисторов большое количество, но общим для всех способов является то, что этот компонент подключается параллельно силовой цепи. Поэтому при отсутствии опасных значений импульсов напряжения ток, протекающий через варистор, имеет малую величину (из-за больших значений сопротивления) и никак не влияет на работоспособность системы. При возникновении всплеска сопротивление варистора изменяется на малые значения, нагрузка отводится, а поглощенная энергия рассеивается в окружающее пространство.
Проверка на исправность
Схема устройства необходима для устранения неполадок. В качестве примера см. Схема 2, в которой используется варистор. Будет рассмотрен только вариант выхода из строя полупроводникового резистора. Основным этапом устранения неисправности является подготовка рабочего места и инструментов, что позволяет сосредоточиться на ремонте и сделать его качественным. Для ремонтных работ вам понадобится следующий инструмент:
- Отвертка.
- Щеточка нужна для очистки платы от пыли. Чистку необходимо производить постоянно, так как он является проводником электричества. В результате этого может произойти выход из строя определенного элемента цепи или короткое замыкание.
- Паяльник, олово и канифоль.
- Мультиметр для диагностики радиодеталей.
- Увеличительное стекло, чтобы увидеть отметки.
После подготовки рабочего места и инструментов нужно аккуратно разобрать сетевой фильтр, а затем, при необходимости, очистить его от пыли и грязи.
Схема 2 — Схема электрической цепи сетевого фильтра 220 вольт и ее доработка.
Найдите варистор и осмотрите его. Кузов должен быть целым и без трещин. Если было обнаружено нарушение целостности корпуса, то его необходимо выпаять и заменить на такой же или подобрать аналог. Следует отметить, что полярность варистора, подключенного к цепи, не имеет значения. Если механического повреждения не обнаружено, нужно переходить к его диагностике, которая осуществляется двумя способами:
- Измерение сопротивления.
- Устранение неполадок на основе технических характеристик элемента.
В первом случае деталь выпаивается из платы, а значение ее сопротивления измеряется мультиметром. Переключатель ставится в положение максимального диапазона измерения (достаточно 2 МОм). При измерении не прикасайтесь к варистору руками, так как прибор покажет сопротивление корпуса. Если мультиметр показывает высокие значения, то радиодеталь исправна, но при других значениях ее следует заменить. После замены установите корпус и включите сетевой фильтр.
Есть еще один способ выявить неисправный варистор, основанный на анализе характеристик элемента. Обычно используется, если измерение значения сопротивления не дало желаемых результатов. Для этого посмотрите технические характеристики варистора, по которым можно выявить его неисправность.
Необходимо проверить ток, на котором он работает, так как его значение может быть ниже необходимого. В этом случае не получится. Также следует проверить, на какое напряжение он рассчитан. Если по каким-то причинам эти показатели меньше допустимых, то полупроводниковый резистор не разомкнется.
Поэтому варистор нашел широкое применение в различных устройствах защиты от перенапряжений и источников питания, а также от статического электричества. Современные технологии позволяют обеспечить малое время отклика, поэтому ассортимент этого радиоэлемента расширяется.
Мультиметром
Определение работоспособности элемента (пошаговые инструкции)
Для этой операции нам понадобятся следующие инструменты:
- Отвертка (обычно крестовая). Чтобы добраться до платы питания, потребуется разобрать корпус электронного устройства, здесь без отвертки не обойтись.
- Щетка для очистки печатной платы. Как показывает практика, на блоке питания скапливается много пыли. Особенно это касается устройств с принудительным охлаждением, типичным примером которых является компьютерный блок питания.
- Сварщик. В силовой части блока питания на плате имеются крупные дорожки, а мелких элементов нет, поэтому допустимо использование устройств мощностью до 75 Вт.
- Смола и припой.
- Мультиметр или другой прибор, позволяющий измерить сопротивление.
Когда все инструменты будут готовы, можно приступать к процедуре. Действуем по следующему алгоритму:
- Разбираем корпус устройства. В этом случае сложно дать подробную инструкцию, как это сделать, так как конструкции устройств существенно отличаются друг от друга. Эту информацию можно найти в инструкции к оборудованию или на сайте производителя, также поможет поиск по тематическим форумам и блогам.
- Дойдя до печатной платы блока питания, необходимо очистить ее от пыли. Делать это нужно аккуратно, чтобы не повредить радиодетали. Были случаи, когда из-за чрезмерного усилия в процессе очистки щетка повреждала транзистор, тиристор или другой компонент.
- Когда пыль убрана, находим варистор, у него характерный вид, поэтому его можно спутать только с конденсатором, но последний маркируется иначе.
Варистор в силовой части блока питания - Как только вы нашли предмет, внимательно осмотрите его на наличие повреждений. Это могут быть трещины, сколы и другие нарушения целостности корпуса. В большинстве случаев определить проблему можно уже на этом этапе. При обнаружении повреждений элемент выпаивается и заменяется таким же или аналогом. Подобрать можно самостоятельно (расшифровка марки была предоставлена выше) или после консультации с продавцом радиодеталей.
Варистор со следами повреждений - Если визуальный осмотр не дал результатов, нужно проверить варистор мультиметром, для этого выпаиваем деталь.
- Для проведения измерения подключаем щупы к мультиметру (на рисунке 7 гнёзда показаны зелёным цветом) и переключаем его в режим измерения максимального сопротивления (красный кружок на рисунке 7). Если у вас мультиметр другого типа, обратитесь к инструкции к устройству.
Рис. 7. Конфигурация режима выделена красным, разъемы датчика — зеленым - Трогаем щупами провода и измеряем сопротивление варистора. Оно должно быть бесконечно большим. Другое значение указывает на неисправность варистора, поэтому его необходимо заменить.
Важная точка! Перед измерением сопротивления убедитесь, что ваши пальцы не касаются стальных наконечников щупов, в этом случае прибор покажет сопротивление кожи.
- После замены (при необходимости) собираем устройство.
Измерения стрелочным прибором
Такое устройство считается аналоговым. В его конструкции используется электромеханическая головка. Это рамка, помещенная в магнитное поле. В зависимости от силы тока стрелка на рамке отклоняется и останавливается в определенном положении. Диапазон отклонения стрелки градуирован цифрами, по которым рассчитывается сопротивление.
Прежде чем приступить к тесту варистора, необходимо будет настроить стрелочный мультиметр. Для этого его калибруют. Суть его сводится к установке нулевого положения стрелки поворотом специальной ручки при смыкании щупов друг с другом.
Для этого кнопкой переключателя выбирают режим работы, соответствующий значку «Ом», а тестер устанавливает переключатель на наивысший предел измерения сопротивления. Чаще всего он обозначается как «х100», что соответствует мегаомам. Измерение сопротивления происходит от источника питания (батареи), установленного в устройстве. Поэтому, если вы не можете установить стрелку на ноль, батарейку нужно будет заменить.
При непосредственном измерении одним щупом тестера касаются одного вывода варистора, а другим — другого. В результате возможны три исхода:
Стрелка либо сдвинется к нулю, либо покажет сопротивление в районе килоом. Делается вывод о неисправности элемента (поломке).- Результат измерения находится в пределах сотен мегаом. Это показание указывает на исправность варистора.
- На касание выводов радиоэлемента стрелка никак не реагирует. Возможные причины следующие: рабочего диапазона прибора недостаточно для измерения значения сопротивления варистора, неисправен прибор, неисправен радиоэлемент (обрыв).
Цифровой тестер
Цифровым мультиметром проверить работоспособность варистора будет немного проще, чем аналоговым. Это связано с тем, что цифровой тестер в своей конструкции имеет ЖК-экран, на котором наглядно отображается измеряемое сопротивление.
Этот тип тестера основан на аналого-цифровом преобразователе, принцип работы которого основан на сравнении измеряемого сигнала с эталонным сигналом. Следует отметить, что если при включении тестера на экране мигает значок батарейки, то батарейку необходимо заменить. Процедуру измерения сопротивления варистора можно представить следующим образом:
-
Переключатель устанавливает предел измерения максимального сопротивления. Обычно этот предел обозначается цифрой и буквой. Если цифры пишутся просто, то единица измерения Ом, буква К после цифры означает килоом, буква М означает мегаом.
- Щупы закрепляют на двух выводах варистора, а противоположные концы выводов со штекерами вставляют в гнезда тестера с маркировкой Ω и СОМ. Так как полярность сигнала, подаваемого на варистор, не имеет значения, то не имеет значения, какой вывод подключен к тому или иному выводу элемента. Хотя обычно черный провод вставляется в разъем COM.
- Устройство включается нажатием кнопки ON/OFF на тестере.
- Если на дисплее отображается единица измерения, это означает, что выбран небольшой предел измерения.
- Если на дисплее отображаются числа, отличные от единицы, то это значение измеренного сопротивления.
При интерпретации результата измерения также необходимо учитывать допуск. Каждый радиоэлемент имеет свой индикатор допуска. Например, если допуск составляет 10 процентов, а внутреннее сопротивление варистора задано равным 100 МОм, полученные результаты должны находиться в диапазоне от 90 до 110 МОм. Если сопротивление измеряемого элемента окажется ниже или выше этого диапазона, то его можно считать неисправным.
Применение реостата
Проверить варистор можно не только путем измерения его внутреннего сопротивления. Значение внутреннего сопротивления может соответствовать заявленному, но пороговое напряжение варистора будет неверным. Для проверки величины пробоя используется мультиметр с автотрансформатором или лабораторный реостат.
В тестовой схеме к одному из выводов варистора подключен подвижный контакт реостата, а к другому — предохранитель. Щупы мультиметра закрепляются параллельно выводам полупроводникового элемента, а он сам переходит в режим измерения напряжения. На пару свободных контактов подается разность потенциалов, величина которой превышает пробивное значение компонента.
С помощью подвижного контакта реостата напряжение плавно изменяется до срабатывания варистора. Этот момент определяется вольтметром. Сначала показания мультиметра будут расти, а затем резко падать до нуля. Это перегорит предохранитель. Максимальное записанное ненулевое значение будет пороговым напряжением.
Важно отметить, что при измерении, особенно с помощью реостата, возможно поражение тела электрическим током. Поэтому нельзя забывать о технике безопасности, нужно неукоснительно их соблюдать.
Прозвон
Когда он издаст звуковой сигнал, вам нужно будет отпаять одну из ветвей варистора от схемы. Звонить нужно с разных сторон. Рабочий варистор не звонит, что и понятно. Ток через него не течет. Сопротивления нет.
Причины неисправности
Варисторы устанавливаются параллельно защищаемой цепи, а плавкий предохранитель последовательно с ней. Это необходимо для того, чтобы при сгорании варистора, если импульс перенапряжения был слишком сильным, сгорел предохранитель, а не дорожки на печатной плате.
Единственная причина выхода из строя варистора – сильный и резкий скачок напряжения в сети. Если энергия этого скачка больше, чем может рассеять варистор, он выйдет из строя. Максимальная рассеиваемая энергия зависит от размеров компонента. Они различаются диаметром и толщиной, то есть чем они больше, тем больше энергии способен рассеять варистор.
Скачки напряжения могут возникать при авариях на линиях электропередач, во время грозы, при переключении мощных устройств, особенно индуктивных нагрузок.