04.01.2021

Андрей Смирнов

Время чтения: ~18 мин.

Варистор: принцип работы, характеристики, назначение. Как работает варистор?

Среди радиолюбителей большой популярностью пользуются варисторы. Они применяются практически во всех электронных устройствах и позволяют усовершенствовать некоторые приборы. Для использования в схемах следует понять принцип работы варистора, а также знать его основные характеристики. Кроме того он, как и любая деталь, обладает своими достоинствами и недостатками, которые нужно учитывать при построении и расчете электрических схем.

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.

Виды и принцип работы

Полупроводниковые резисторы классифицируются по напряжению, поскольку от этого зависит их сфера применения. Их всего 2 вида:

Высоковольтные с рабочим напряжением до 20 кВ.
Низковольтные, напряжение которых находится в диапазоне от 3 до 200 В.

Все они применяются для защиты цепей от перегрузок: первые — для защиты электросетей, электрических машин и установок; вторые служат для защиты радиокомпонентов в низковольтных цепях. Принцип работы варисторов одинаков и не зависит от его вида.

В исходном состоянии он обладает высоким сопротивлением, но при превышении номинального значения напряжения оно падает. В результате этого, по закону Ома для участка цепи, значение силы тока возрастает при уменьшении величины сопротивления. Варистор при этом работает в режиме стабилитрона. При проектировании устройства и для корректной его работы следует учитывать емкость варистора, значение которой прямо пропорционально площади и обратно пропорционально его толщине.

Для того чтобы правильно подобрать элемент для защиты от перегрузок в цепях питания устройства, следует знать величину сопротивления источника на входе, а также мощность импульсов, образующихся при коммутации. Максимальное значение силы тока, пропускаемое варистором, определяет величину длительности и периода повторений выбросов амплитудных значений напряжения.

Маркировка и основные параметры

Маркировка варисторов отличается, поскольку каждый производитель этих радиокомпонентов имеет право устанавливать ее самостоятельно. Это, прежде всего, связано с его техническими характеристиками. Например, различия по напряжениям и необходимым уровням тока для его работы.

Вам это будет интересно Устройство и принцип работы трансформатора тока

Твердотельное реле тока — где купить, характеристики, принцип работы

Среди отечественных наиболее распространенным является К275, а среди импортных — 7n471k, 14d471k, kl472m и ac472m. Наибольшей популярностью пользуется варистор, маркировка которого — CNR (бывают еще hel, vdr, jvr). Кроме того, к ней прикрепляется цифробуквенный индекс 14d471k, и расшифровывается этот вид обозначения следующим образом:

CNR — металлооксидный тип.
14 — диаметр прибора, равный 14 мм.
D — радиокомпонент в форме диска.
471 — максимальное значение напряжения, на которое он рассчитан.
К — допустимое отклонения классификационного напряжения, равное 10%.

Существуют технические характеристики, необходимые для применения в схеме. Это связано с тем, что для защиты различных элементов цепи следует использовать различный тип полупроводникового сопротивления.

Их основные характеристики:

Напряжение классификации — значение разности потенциалов, взятое с учетом того, что сила тока, равная 1 мА, протекает через варистор.
Максимальная величина переменного напряжения — является среднеквадратичным значением, при котором он открывается и, следовательно, величина его сопротивления понижается.
Значение постоянного максимального напряжения, при котором варистор открывается в цепи постоянного тока. Как правило, оно больше предыдущего параметра для тока переменной амплитуды.
Допустимое напряжение (напряжение ограничения) является величиной, при превышении которой происходит выход элемента из строя. Указывается для определенной величины силы тока.
Поглощаемая максимальная энергия измеряется в Дж (джоулях). Эта характеристика показывает величину энергии импульса, которую может рассеять варистор и при этом не выйти из строя.
Время реагирования (единица измерения — наносекунды, нс) — величина, требуемая для перехода из одного состояния в другое, т. е. изменение величины сопротивления с высокой величины на низкую.
Погрешность напряжения классификации — отклонение от номинального его значения в обе стороны, которое указывается в % (для импортных моделей: К = 10%, L = 15%, M = 20% и Р = 25%).

После описания принципа работы, особенностей маркировки и основных характеристик следует рассмотреть сферы применения варисторов.

Применение приборов

Варисторы применяются для защиты электронных устройств от скачкообразного напряжения, амплитуда которого превышает номинальное значение питания. Благодаря применению в блоках питания полупроводникового резистора, появляется возможность избежать множества поломок, которые могут вывести электронику из строя. Широкое применение варистор получил и в схеме балласта, который применяется в элементах освещения.

В некоторых стабилизаторах величин напряжения и тока также используются специализированные полупроводниковые резисторы, а варисторы-разрядники с напряжением более 20 кВ применяются для стабилизации питания в линиях электропередач. Его можно подключить также и в схему проводки (схема 1), защитив ее от перегрузок и недопустимых амплитудных значений тока и напряжения. При перегрузке проводки происходит ее нагрев, который может привести к пожару.

Вам это будет интересно Определение и применение правил рук и буравчика

Схема 1 — Подключение варистора для сети 220В.

Низковольтные варисторы работают в диапазоне напряжения от 3 В до 200 В с силой тока от 0,1 до 1 А. Они применяются в различной аппаратуре и ставятся преимущественно на входе или выходе источника питания. Время их срабатывания составляет менее 25 нс, однако этой величины для некоторых приборов недостаточно и в этом случае применяются дополнительные схемы защиты.

Сетевой фильтр и качество напряжения бытовой электропроводки

Однако технология их изготовления не стоит на месте, поскольку фирма «S+М Eрсоs» создала радиоэлемент с временем срабатывания менее 0,5 нс. Этот полупроводниковый резистор изготовлен по smd-технологии. Конструкции дискового исполнения обладают более высоким временем срабатывания. Многослойные варисторы (CN) являются надежной защитой от статического электричества, которое может вывести из строя различную электронику. Примером использования является производство мобильных телефонов, которые подвержены воздействию статических разрядов. Этот тип варисторов также получили широкое применение в области компьютерной технике, а также в высокочувствительной аппаратуре.

Достоинства и недостатки

Для использования варистора следует ознакомиться с его положительными и отрицательными сторонами, поскольку от этого зависит защита электроники. К положительным качествам следует отнести следующие:

Высокое время срабатывания.
Отслеживание перепадов при помощи безинерционного метода.
Широкий диапазон напряжений: от 12 В до 1,8 кВ.
Длительный срок службы.
Низкая стоимость.

У варистора, кроме его достоинств, существуют серьезные недостатки, на которые следует обратить внимание при разработке какого-либо устройства. К ним относятся:

Большая емкость.
Не рассеивают мощность при максимальном значении напряжения.

Емкость полупроводникового прибора находится в пределах от 70 до 3200 пФ и, следовательно, существенно влияет на работу схемы. Эта величина зависит от конструкции и типа прибора, а также от напряжения. Однако в некоторых случаях этот недостаток является достоинством при использовании его в фильтрах. Значение большей емкости ограничивает величину напряжения.

При максимальных значениях напряжения для рассеивания мощности следует применять варисторы-разрядники, поскольку обыкновенный полупроводниковый прибор перегреется и выйдет из строя. Каждому радиолюбителю следует знать алгоритм проверки варистора, поскольку при обращении в сервисные центры существует вероятность заплатить за ремонт больше, чем он стоит в действительности.

Проверка на исправность

Для поиска неисправностей необходима схема устройства. Для примера следует обратиться к схеме 2, в которой применяется варистор. В ней будет рассмотрен только вариант выхода из строя полупроводникового резистора. Основным этапом поиска неисправностей является подготовка рабочего места и инструмента, которая позволяет сосредоточиться на выполнении ремонта и произвести его качественно. Для ремонтных работ потребуется следующий инструмент:

Отвертка.
Щетка, которая нужна для очистки платы от пыли. Следует производить очистку постоянно, поскольку она является проводником электричества. В результате этого может произойти выход из строя определенного элемента схемы или короткое замыкание.
Паяльник, олово и канифоль.
Мультиметр для диагностики радиокомпонентов.
Увеличительное стекло для просмотра маркировки.

Вам это будет интересно Расчет сопротивления параллельного соединения резисторов

После подготовки рабочего места и инструмента следует аккуратно разобрать сетевой фильтр, а затем при необходимости произвести очистку от пыли и мусора.

Что такое УЗМ 51М в электрике – характеристики, схема подключения

Схема 2 — Схема электрическая принципиальная сетевого фильтра на 220 вольт и его доработка.

Найти варистор и произвести его визуальный осмотр. Корпус должен быть целым и без трещин. Если было обнаружено нарушение целостности корпуса, то его необходимо выпаять и произвести замену на такой же или выбрать аналог. Необходимо отметить, что полярность подключения варистора в цепь не имеет значения. Если механические повреждения не обнаружены, то следует перейти к его диагностике, которая производится двумя способами:

Измерение сопротивления.
Поиск неисправности, исходя из технических характеристик элемента.

В первом случае деталь выпаивается из платы и замеряется значение ее сопротивления при помощи мультиметра. Переключатель ставится в положение максимального диапазона измерений (2 МОм достаточно). При замере не следует касаться руками варистора, поскольку прибор покажет сопротивление тела. Если мультиметр показывает высокие значения, то радиокомпонент исправен, а при других значениях его следует заменить. После замены следует собрать корпус и произвести включение сетевого фильтра.

Существует и другой способ выявления неисправного варистора, основанный на анализе характеристик элемента. Его, как правило, используют в том случае, если замер величины сопротивления не дал необходимых результатов. Для этого следует обратиться к техническим характеристикам варистора, согласно которым можно выявить его неисправность.

Следует проверить силу тока, при которой он работает, поскольку ее значение может быть меньше необходимой. В этом случае он не будет работать. Также нужно проверить величину напряжения, на которую он рассчитан. Если по каким-либо причинам эти показатели меньше допустимых, то полупроводниковый резистор не откроется.

Таким образом, варистор получил широкое применение в различных устройствах защиты от перепадов напряжения и блоках питания, а также статического электричества. Современные технологии позволяют получить низкие показатели времени срабатывания, благодаря которому сферы применения этого радиоэлемента расширяются.

Варистор (дословный перевод с английского — резистор с переменным сопротивлением) — полупроводник с нелинейной вольт—амперной характеристикой (вах).

Все электроприборы рассчитаны на свое рабочее напряжение (в домах 220 В или 380В). Если произошел скачок напряжения (вместо 220 В подали 380В) — приборы могут сгореть. Тогда на помощь и придет варистор.

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.

Основные характеристики и параметры

Надо отметить, что это универсальный прибор. Он способен работать сразу со всеми видами тока: постоянным, импульсным и переменным. Это происходит из-за того, что он сам не имеет полярности. При изготовлении используется большая температура, чтобы спаять порошок кремния или цинка.

Параметры, которые необходимо учитывать:

параметр условный, определяется при токе 1мА, В;
максимально допустимое переменное напряжение, В;
максимально допустимое постоянное напряжение, В;
средняя мощность рассеивания, Вт;
максимально импульсная поглощаемая энергия, Дж;
максимальный импульсный ток, А;
емкость прибора в нормальном состоянии, пФ;
время срабатывания, нс;
погрешность.

Чтобы правильно подобрать варистор иногда необходимо учитывать и емкость. Она сильно зависит от размера прибора. Так, tvr10431 имеет 160nF, tvr 14431 370nF. Но даже одинаковые по диаметру детали могут обладать разной емкостью, так S14K275 имеет 440nF.

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.

Справочник и маркировка варисторов

Если необходима замена, на помощь придет справочник варисторов. Для начала нам потребуется маркировка варистора, она находится на самом корпусе в виде латинских букв и цифр. Хотя этот элемент производится во многих странах, маркировка не имеет принципиальных отличий.

Разные изготовители и маркировка разная 14d471k и znr v14471u. Однако параметры одни и те же. Первые цифры «14» это диаметр в мм., второе число 471 — напряжение при котором происходит срабатывание (открытие). Отдельно про маркировку. Первые две цифры (47) это напряжение, следующая — коэффициент (1). Он показывает сколько нулей нужно ставить после числа 47, в этом случае 1. Получается что испытуемый прибор будет срабатывать при 470 В, плюс — минус погрешность, которая ставится рядом с этим числом. В нашем случае это буква «к» находится после и обозначает 10% т. е. 47 В.

Другая маркировка s10k275. Показатель погрешности стоит перед напряжением, само напряжение показано без коэффициента — 275 В. Из рассмотренных примеров видим, как можно определить маркировку: измеряем диаметр прибора, находим эти размеры на варисторе, другие цифры покажут напряжение. Если определить маркировку не удается, например, kl472m, нужно будет посмотреть в интернете.

Диаметр. Импортные tvr 10471 можно заменить на 10d471k, но быть осторожным с 7d471k, у последнего размер меньше. Чем больше значение, тем, грубо говоря, больше рассеиваемая мощность. Поставив прибор меньшего диаметра, рискуем его спалить. К примеру, серия 10d имеет рабочий ток 25А, а k1472m 50А.

Чтобы правильно выбрать нужный элемент необходимо учитывать не только напряжение питания. Производят множество расчетов, например, выходя из нужного быстродействия (срабатывания), или малое рабочее напряжение. В этом случае используют так называемые защитные диоды. К ним можно отнести bzw04. При его применении важно соблюдать полярность.

Помехоустойчивость. Одним из недостатков является создание помех. Для борьбы с ними используют конденсаторы, например, ac472m Подключают параллельно варистору.

На схеме варистор обозначается как резистор, пустой прямоугольник с перечеркивающей под 45 градусов линией и имеет букву u.

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 и где применяется

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.

Виды и принцип работы

При работе в нормальных условиях варистор имеет огромное сопротивление, которое может снижаться при превышении напряжением порогового значения. То есть, если значительно повышается напряжение в цепи, то варистор переходит из изолирующего состояния в электропроводящее и за счет лавинного эффекта в полупроводнике стабилизирует напряжение с помощью пропускания через себя тока большой величины.

Читайте также: Что делать если остановился или сломался электросчетчик в квартире?

Варисторы могут работать с высоким и низким напряжением и, соответственно, подразделяются на две группы устройств, которые имеют одинаковый принцип работы:

Высоковольтные: способные работать в цепях со значениями тока до 20 кВ (используются в защитных системах сетей и оборудования, в устройства защиты от импульсных перенапряжений).
Низковольтные: номинальное напряжения для компонентов данного вида варьируется от 3 до 200 В (применяется для защиты электронных устройств и компонентов оборудования с током 0,1 – 1А и устанавливаются на входе или выходе источника питания).

Время срабатывания варистора при скачке напряжения составляет около 25 нс, что является отличным значением, но в некоторых случая недостаточным. Поэтому производители электронных компонентов разработали технологию изготовления smd-резистора, который имеет время срабатывания от 0,5 нс.

Варисторы всех типов изготавливают из карбида кремния или оксида цинка путем спекания данного материала со связующим веществом (смолы, глина, стекло) при высокой температуре. После получения полупроводникового элемента выполняется его металлизация с обеих сторон с припайкой металлических выводов для подключения.

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.

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 %).

Читайте также: Как выбрать пуско-зарядное устройство для аккумулятора автомобиля?

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).

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.

Читайте также: Как усилить сигнал от ТВ антенны?

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.

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.