Как варистор защитит бытовую технику от молнии?
Удар молнии в соседнюю опору электропередач или просто рядом с вашим домом событие не очень приятное. Для мастера-электронщика работа в этом случае часто неблагодарная. Не рядовой случай, когда после всех объяснений и рассказов о целесообразности ремонта слышим в конце недовольное: «А почему так дорого?», «А я у другого мастера спросил и мне сказали, что сгореть должно было меньше» и всякий подобный бред жадины-профана, который не ценит чужой труд. Вариант, когда после вскрытия пациента наблюдаем пробитый «трансик» или обугленный варистор много приятнее для обеих сторон.
Современные полупроводники крайне чувствительны к превышениям допустимого напряжения и причина этого не только природные явления. Список причин можно продолжать — от доморощенного сварщика-соседа, до перекомутаций на линии. Нас больше интересует не сами причины, а как с ними бороться. Коротко об этом.
Смешной ответ: «220 вольт», — кому-то не режет слух. Вариант: «Переменный», — тоже не много лучше, потому как без нагрузки тока нет. А какое напряжение? Может быть уже и не 220 вольт – стандарт однако изменился.
Когда мы говорим о напряжении бытовой сети, то речь идёт о действующем значение переменного напряжения – 220 (230) В. Амплитудное значение будет больше приблизительно в 1.4 раза – 311 (325) В. Учитывая допуск в 10 процентов, получим допустимый разброс амплитуды — от 280 до 342 (292 — 358) вольт. Вот эти 358 В – законно допустимая амплитуда переменного напряжения в нашей розетке. Но и это не всё. Может меняться частота, а синусоида не всегда имеет правильную форму. Перенапряжения различной природы суровая реальность и их допустимые параметры тоже регламентируют.
Для этого в цепи питания ставят входные фильтры, разрядники, супрессоры и варисторы (первый эшелон защиты на входе радиоаппаратуры).
Входной LC-фильтр неотъемлемая часть любого импульсного БП (его отсутствие говорит о «качестве» изделия). Основное назначение – не пропускать высокочастотные помехи от работы самого БП в сеть.
Разрядник – устройство с искровым промежутком, может быть как элементом печатного монтажа так и отдельным устройством (газонаполненный, с элементами гашения дуги). Разрядники имеют относительно большое время срабатывания (несколько миллисекунд), при срабатывании искровой промежуток со временем увеличивается из-за обгорания контактов, имеют большой разброс параметров, которые к тому же сильно зависят от внешней среды.
Супрессор (он же защитный диод (стабилитрон), диодный предохранитель, TVS-диод, трансил). В цепи переменного тока используются симметричные супрессоры. При превышении порогового напряжения, внутреннее сопротивление супрессора резко падает. Результат зависит от мощности вредного импульса – нагреется и остынет или сгорит вместе с предохранителем.
Варистор Вольтамперная характеристика (ВАХ) очень похожа на ВАХ супрессора. Соответственно и принцип работы схож. Сопротивление варистора зависит от приложенного к нему напряжения. На участке малых токов (несколько миллиампер) варистор практически не влияет на работу защищаемого устройства. Защитные свойства он проявляет на участке больших токов – когда приложенное к нему напряжение превысит определённый порог.
При превышении этого порога, варистор резко уменьшает собственное сопротивление до десятков ом. Высокочастотные импульсы перенапряжения не проникают на вход устройства, а преобразуются в тепловую энергию нагрева самого варистора. Если энергия этих импульсов больше допустимой, то варистор закорачивает входную цепь и сгорает вместе с плавким предохранителем.
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
Знания схемотехники входных цепей питания радиоаппаратуры и принципов работы элементов этих цепей несомненно нужны. Но обычному ремонтёру важнее знать как это проверить и чем заменить. Обугленный варистор потерял свою маркировку и вопрос что ставить взамен возникает не только у новичков (ведь цепи защиты бывают разные). Просто выпаять и забыть – не наш вариант!
Самый распространённый вариант – варистор на 470 вольт. Вспоминаем цифру сверху – 358 вольт в предполагаемом максимуме. Запас 112 вольт? Не совсем так. Варисторы имеют класс точности, и 10 процентов это лучший вариант. Считаем 20 процентов. Получаем возможный нижний предел напряжения срабатывания – 376 вольт. Теперь понятна логика производителя. Но и это не всё. Вариант ставим что есть на складе никто не отменял, главное, чтобы не было ложных срабатываний. Здесь необходимо понимание основного назначения варистора – защита от высоковольтных импульсных перенапряжений. Отвал нулевого провода в вашем доме и в результате неисправная аппаратура, а варистор целый — не редкость. Высоковольтные перенапряжения случайны и результат их воздействия непредсказуем. И если штатно варистор рассеивает высоковольтные импульсы, но когда-то наступает случай, что он не выдерживает мощности паразитного импульса и сгорает. Горит с переходом в проводящее состояние. По этой причине обязательна защита плавким предохранителем. Такая вот обязательная защита защиты.
На практике (особенно для себя любимого) лучше использовать варисторы на 390В или 430В постоянного напряжения. Воздействие высоковольтных импульсов очень не полезно для электролитов (а они чаще всего на 400В, а в дешевом ширпотребе даже на 350В).
Как проверить варистор? Сразу напрашивается вариант собрать простейшую цепь из резистора для ограничения тока, варистора, нагрузки и повышающего трансформатора с возможностью регулирования напряжения. Важно выяснить точно напряжение перехода в проводящее состояние. Вариант проще – подключаем нашу цепочку к мегоометру с напряжением 500 вольт, и убеждаемся в срабатывании варистора. Косвенная проверка – измерить ёмкость варистора. Я не ошибся, именно ёмкость.
Маркировка на варисторе — это не всегда напряжение (иногда это условный код), а если и напряжение то не всегда одно и то же. Разные производители маркируют варисторы по-разному. Используются как максимальное значение рабочего действующего синусоидального напряжения (EPCOS), иногда действующее значение синусоидального напряжения при котором происходит отпирание варистора, а китайцы ставят постоянное напряжение отпирания. Надо обязательно читать документацию конкретного производителя.
Для примера: варистор EPCOS/TDK с маркировкой 241 это фактически аналог 431 у китайского TKS с маркировкой TVR оба отпираются постоянным напряжением около 430В.
Напряжение отпирания варистора величина не точная. Классический разброс составляет -15%. +20%. А у лучших производителей — не менее 10%. И зависимость от температуры никто не отменял.
Отличия варисторов от супрессоров.
Супрессор проигрывает варистору в поглощаемой энергии. Варистор тем и хорош, что тепло в нем выделяется по всей толщине материала и отсутствуют локальные перегревы. Супрессор обладает отличным быстродействием, но легко перегревается и выходит из строя при миллисекундных импульсах. Энергию варистор при коротких перенапряжениях, не рассеивает (не успевает), а поглощает.
Варисторы применяются в схемах с большой мощностью импульса, но относительно низким значением скорости его нарастания (крутизна фронта). К примеру, тиристорные преобразователи.
Супрессоры — в схемах с большей крутизной, но меньшей длительностью. Это преобразователи на основе IGBT или MOSFET-транзисторов. Работа транзисторов в ключевом режиме характеризуется малой длительностью выбросов напряжения (не более сотен нс; очень редко мкс), но при этом крутым фронтом импульса.
Стабилитроны тоже можно применять, то только в низковольтных транзисторных схемах с малыми скоростями изменения напряжения.
Короткие выводы:
1. Варисторы хорошо защищают сети питания радиоаппататуры от коротких высоковольтных выбросов напряжения, которые физически не поглощаются входными фильтрующими конденсаторами. Но не являются защитой от перенапряжений ниже напряжения открывания самого варистора.
2. Супрессоры хорошо использовать для защиты силовых ключей от переходных процессов и пиковых перенапряжений короткими импульсами.
3. При выборе варистора в качестве замены ориентируемся на напряжение открывания варистора. Обращать внимание на производителя, смотреть документацию по конкретному прибору.
4. Для защиты от перенапряжений в сети (не высоковольтных импульсных) хорошее решение применять ограничители напряжения и ограничители тока короткого замыкания (это для себя, а клиенту как совет).
P.S Всё, что выше никак не учебник и не претендует на полноту. Целенаправленно не перечислены все параметры рассмотренных элементов. Замечания на рассмотренную тему будут полезны не только автору.
О защите от перенапряжений входа блоков питания с помощью разрядников
При использовании дорогостоящего компьютерного оборудования, например, майнинг ферм, необходимо использовать качественные и высокоэффективные блоки питания. Они должны иметь надежно работающую защиту от перегрузки, коротких замыканий, перенапряжений и других неблагоприятных факторов.
В статье «О роли варисторов/терморезисторов в блоках питания» рассматривались некоторые особенности защиты входных цепей радиоэлектронной аппаратуры с помощью элементов с нелинейным изменением сопротивления в зависимости от напряжения/температуры. В данной статье эта тема продолжает свое развитие.
Защита импульсных блоков питания от перенапряжений (surge protection) должна реализоваться на его входе, в высоковольтной части. В качественных блоках питания в качестве дополнительных защитных элементов от электрических перенапряжений (surge protective devices, SPD), кроме варисторов и терморезисторов, используются газовые разрядники.
Разрядники ZD2R400 (напряжение пробоя 400V):
Блок-схема качественного импульсного блока питания (за защиту на входе отвечает блок Fuse, EMI и Surge Protection, выход которого нагружен на Bleed resistor — стабилизирующее нагрузочное сопротивление):
Чем отличаются искровые разрядники от варисторов?
Обычно варисторы и газовые разрядники выполняют одну и ту же задачу по защите от всплесков высокого напряжения, вызванных переходными процессами при коммутации, атмосферными разрядами и другими причинами.
Пример реализации защиты импульсного блока питания от входных всплесков напряжения с помощью трех варисторов (leaded disk varistor) и двух разрядников (surge arresters):
Обозначение различных типов разрядников на электрических схемах:
1 — Разрядник без указания его типа (общее обозначение);
2 — Трубчатый разрядник;
3 — Вентильный/магнитовентильный разрядник;
5 — Пробивной предохранитель;
6 — Газовый разрядник;
7 — Трехэлектродный (управляемый) газовый разрядник;
8 — Термозащищенный газовый разрядник.
Газовые разрядники отличаются от варисторов принципом действия, хотя и выполняют похожие задачи по защите радиоэлектронных цепей от разрушительных высоковольтных импульсов (перенапряжений).
Варисторы в большинстве случаев являются метал-оксидными электронными элементами (MOV, Metal Oxide Varistor) с нелинейно уменьшающимся сопротивлением при увеличении приложенного напряжения (кроме того, существуют кремний-оксидные варисторы — SOV, Silicon Oxide Varistor). Благодаря этому полезному свойству, при всплеске напряжения, его энергия гасится на варисторе, включенном параллельно устройству/нагрузке.
Внутренняя структура метал-оксидного варистора:
Вольт-амперная характеристика метал-оксидного варистора:
Время срабатывания MOV-варистора равно наносекундам. Инертность варистора может привести к прохождению на защищаемый участок цепи большого количества энергии, способной вывести его из строя. Кроме того, варисторы подвержены старению — деградации, из-за которой со временем они работают со значительно худшими характеристиками. Деградацию варисторов сложно выявить в обычных условиях эксплуатации, поэтому она зачастую проявляется в виде выхода из строя защищаемого участка цепи при прохождении большого импульса напряжения.
При подборе MOV-варистора для конкретной конструкции нужно учитывать максимальное пиковое действующее напряжение в электрической цепи (его амплитуду). Для защиты входа устройства, включающегося в сеть нужно учитывать не действующее (среднеквадратичное или эффективное) значение переменного напряжения, которое показывает обычный вольтметр, а его максимальную амплитуду (пиковое напряжение).
Например, в сети с действующим переменным фазным напряжением Ud = 230 вольт (измеряется между фазой и нейтралью), максимальная амплитуда Um достигает значения (с учетом возможного допуска +10%):
Поэтому на входе устройств, питающихся от сети переменного синусоидального тока напряжением 220-240 вольт, нужно ставить электронные элементы рассчитанные на работу с напряжением не менее 400 вольт.
При слишком большой энергии электрического импульса, который гасится на варисторе, он сгорает. Это может произойти при долговременной подаче высоковольтного импульса и/или его очень большой амплитуде.
Фотография сгоревшего варистора:
В качественных импульсных блоках питания, кроме варисторов используются газовые разрядники или Gas-Filled Surge Arresters (SVT — разрядники, наполненные инертным газом).
В нормальных условиях разрядник имеет бесконечное сопротивление, но если напряжение между его электродами достигает определенного значения, то между ними начинает протекать ионизированный поток (так работает неоновая лампа). При дальнейшем повышении напряжения возникает электрическая дуга с образованием участка с постоянной проводимостью (пробой) с дуговым падением напряжения (arc drop).
Вольт-амперная характеристика типового газового разрядника:
Обычно в схемах с использованием разрядников избыточная энергия высоковольтного импульса гасится через цепь, образованную электрической дугой между электродами разрядника и нагрузочным сопротивлением.
Как включаются газовые разрядники в импульсных блоках питания?
Схема полноценной реализации двухступенчатой защиты от всплесков напряжения с помощью шести метал-оксидных варисторов и двух разрядников (первая ступень ограничивает напряжение в дифференциальном режиме (difference mode), а вторая — в синфазном (common mode)):
Схема, иллюстрирующая разницу между дифференциальным (differential) и синфазным (common) паразитными токами:
Упрощенная схема защиты от перенапряжений с двумя варисторами и двумя разрядниками:
Таблица значений пикового напряжения в схемах с полноценной (tradictional circuit) и упрощенной (simplified) реализацией защиты от перенапряжений (даны значения для разных развязывающих индуктивностей L1-L4):
Осцилограммы напряжений в схемах с катушками индуктивности 10 мкгн на полноценной и упрощенной схемах защиты:
а) дифференциальная часть схемы:
б) синфазная часть схемы:
Как видно из таблицы и осциллограмм, разница между пиковыми значениями напряжений в полноценной и упрощенной схемах защиты составляет единицы процентов, что не так уж много в сравнении с ценой использующихся компонентов. Поэтому на практике можно с успехом применять упрощенную схему защиты с двумя варисторами и двумя разрядниками.
Реализация защиты от перенапряжений высоковольтной части блока питания Be Quiet! Dark Power Pro 11 на 1200 ватт, где установлено четыре разрядника (на фотографии видно разрядники GT2, GT4, элементы GT1, GT3 находятся с другой стороны катушек индуктивности):
В блоке питания Be Quiet! Dark Power Pro 11 на 1200 ватт два разрядника включены параллельно входу высоковольтной части БП (GT1, GT3) и еще два — параллельно катушкам индуктивности (GT2, GT4).
Включение газового разрядника параллельно одной из катушек индуктивности используется для защиты от сатурации и всплесков напряжения, связанных с резонансным эффектом:
В дешевых БП роль разрядников, включенных параллельно катушкам индуктивности выполняют проводящие дорожки на печатной плате с зубчиками, между которыми есть небольшой зазор:
Зубчики, выполняющие роль разрядника на плате блока питания:
Теоретически, при появлении высоковольтного импульса должен происходить пробой между этими зубчиками, предохраняющий устройство от серьезных последствий.
При включении блоков питания Be Quiet! с несколькими газовыми разрядниками иногда слышен характерный треск и видны вспышки, вызванные их работой, которые иногда ошибочно воспринимаются как поломка.
Вариант схемы включения газового разрядника и трех варисторов для защиты блока питания, подключенного к однофазной сети переменного тока:
К недостаткам разрядников можно отнести очень малое гашение импульсов напряжения и долгое время, при котором сохраняется их проводящее состояние после воздействия высоковольтного импульса. В некоторых случаях оно сохраняется так долго, что они могут сгореть.
Для устранения недостатков в работе разрядника используют включение дополнительных фильтров с супрессорными диодами, быстродействующих реле и т. д.
Пример реализации схемы входной цепи БП средней/высокой мощности с защитой от высоковольтных импульсов (цепи фаза-фаза и фаза-земля) с помощью SVP-разрядника GT1, MOV-варисторов V1-V3 и TVS-диодов D1-D3 (супрессорных):
Вам также может понравиться
Ответный удар красных: AMD Radeon VII в майнинге
8 марта, 2019 
Дополнительные возможности видеокарт Nvidia, раскрывающиеся с помощью GPU System Processor
21 января, 2022
Варистор VS разрядник?
Зарегистрируйте новую учётную запись в нашем сообществе. Это очень просто!
Войти
Уже есть аккаунт? Войти в систему.
Последние посетители 0 пользователей онлайн
Ни одного зарегистрированного пользователя не просматривает данную страницу
- Уже зарегистрированы? Войти
- Регистрация
Главная
Активность
- Создать.
Важная информация
Мы разместили cookie-файлы на ваше устройство, чтобы помочь сделать этот сайт лучше. Вы можете изменить свои настройки cookie-файлов, или продолжить без изменения настроек.
Варисторы — принцип действия, типы и применение
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.
Кроме того нормируется максимально допустимое напряжение при заданном токе, например V@10A. W – номинальная рассеиваемая компонентом мощность. J – максимальная энергия одного поглощенного импульса, от которой зависит время, на протяжении которого варистор сможет рассеивать номинальную мощность, оставаясь при этом в исправном состоянии. Ipp – пиковый ток варистора, нормируемый по времени нарастания и длительности поглощаемого импульса, чем дольше импульс — тем меньше допустимый пиковый ток (измеряется в килоамперах).
Для получения большей рассеиваемой мощности допускается параллельное и последовательное включение варисторов. При параллельном включении важно подобрать варисторы максимально близкие по параметрам.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!