История варисторов начинается в 1975 году, когда американский инженер Джеймс Траммелл запатентовал технологию защиты электрических цепей от перенапряжений с использованием варисторов на основе оксида цинка (ZnO). С тех пор технология значительно эволюционировала: вместо традиционных пластин теперь используются гранулы оксида цинка, а иногда в состав добавляются гранулы оксидов других металлов. Эти усовершенствования привели к появлению так называемых металл-оксидных варисторов (MOV).
Принцип работы варистора основан на изменении его сопротивления в зависимости от приложенного напряжения. При нормальных условиях варистор обладает высоким сопротивлением, однако при превышении определенного порога напряжения он резко снижает свое сопротивление, позволяя току проходить через него. Это свойство позволяет варисторам эффективно защищать электрические цепи от кратковременных перенапряжений, таких как импульсы, вызванные молнией или другими внешними факторами.
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:
Помимо указанных параметров, важными являются максимальная рассеиваемая мощность РРР и паразитная емкость варистора CV, 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 RX отражает нелинейное сопротивление варистора: в зависимости от состояния варистора его величина может лежать в пределах 0–∞, при малых токах этим резистором можно пренебречь. Резисторы ROFF отражает сопротивление варистора при малых токах, его величина достигает 1 ГОм. Резистор RON отражает сопротивление варистора при максимальном токе, его величина обратно пропорциональна максимальной мощности РРР.
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.
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
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)
Варисторы широко используются для защиты как однофазных, так и трехфазных цепей переменного тока. Они могут быть установлены в различных устройствах, таких как источники питания, электроприборы и системы автоматизации. Однако стоит отметить, что варисторы не являются единственным средством защиты от перенапряжений. В дополнение к ним в электрических системах могут использоваться газовые разрядники, TVS-диоды, TSS-тиристоры и помехоподавляющие конденсаторы.
Каждый из этих компонентов имеет свои особенности и области применения. Например, газовые разрядники способны защищать устройства от перенапряжений в несколько киловольт и могут шунтировать токи до 100 кА, что делает их идеальными для защиты от молний. В то же время варисторы и TVS-диоды более эффективны при защите низковольтных высокоскоростных сигналов благодаря своему быстродействию.
В сложных системах, особенно в тех, которые расположены рядом с высоковольтными линиями или в условиях сильных электромагнитных помех, рекомендуется использовать комбинацию различных защитных компонентов. Это позволяет обеспечить надежную защиту и минимизировать риск повреждения оборудования.
Варисторы играют важную роль в обеспечении безопасности электрических устройств и систем. Их способность быстро реагировать на перенапряжения делает их незаменимыми в современных технологиях. Понимание принципов работы и применения варисторов поможет инженерам и специалистам по электронике эффективно использовать их для защиты своих устройств от потенциально опасных электрических импульсов.
