Варисторы в блоках питания

Обозначение, параметры и применение варисторов

Все, кто сталкивался с радиоэлектронной аппаратурой, наверняка обратили внимание, что название большинства электронных компонентов заканчивается на «стор». Резистор, транзистор, тиристор, стабистор.

Рассмотрим ещё один компонент электронных схем. Он называется варистор и представляет собой резистор, сопротивление которого меняется в зависимости от величины подаваемого напряжения.

Varistor (Variable Resistor) так и переводится – изменяющееся сопротивление. А вот так варистор обозначается на принципиальных схемах.

Английская буква U рядом с наклонной чертой указывает на то, что сопротивление электронного компонента зависит от напряжения. На схемах варистор обычно маркируется двумя буквами RU, а после них ставиться порядковый номер варистора в схеме (1, 2, 3. ).

Варистор является полупроводниковым прибором, изготовленным из порошка карбида кремния (SiC) или окиси цинка (ZnO) методом прессования. У варистора симметричная и нелинейная вольт-амперная характеристика, поэтому он может применяться в цепях постоянного и переменного тока. Варисторы обладают крайне полезным для электрических цепей качеством. Они способны резко менять своё сопротивление при превышении напряжением определённого порога срабатывания.

В случае возникновения импульса напряжения способного вывести из строя электронное устройство, варистор практически мгновенно изменяет своё сопротивление от сотен МОм до десятков Ом, то есть закорачивает цепь питания, поэтому перед варистором всегда ставится обычный плавкий предохранитель.

Раньше для таких защитных целей ставились газонаполненные разрядники, но их быстродействие и надёжность не идут ни в какое сравнение с параметрами варисторов. Например, дисковый варистор без выводов и впаиваемый непосредственно в печатную плату имеет время срабатывания не превышающее нескольких наносекунд.

Варистор подключается параллельно цепи питания. При отсутствии опасных импульсов напряжения ток, протекающий через него, имеет небольшую величину и варистор не влияет на работу схемы, так как по сути является диэлектриком.

Если возник импульс перенапряжения, варистор из-за нелинейности характеристики уменьшает своё сопротивление практически до нуля. Нагрузка шунтируется, а поглощённая энергия рассеивается в виде тепла. Варистор не обладает инерцией, поэтому после «срезания» импульса он мгновенно снова приобретает очень большое сопротивление.

Если импульс перенапряжения был слишком большой и мощный, то варистор выходит из строя. Порой его корпус трескается, а то и вообще раскалывается на несколько частей.

Бывает, что варистор очень выручает при неполадках в электросети, так как принимает высоковольтный импульс на себя и способствует скорейшему разрыву цепи. При этом основная часть схемы остаётся невредимой. На фото блок питания от проектора, который вышел из строя после скачка напряжения в электросети 220V.

После замены плавкого предохранителя работа проектора была полностью восстановлена. Никакого сложного ремонта, кроме замены предохранителя и самого варистора не потребовалось. Вот так одна небольшая деталь может спасти дорогостоящий прибор.

Параметры варисторов.

Основные параметры варисторов:

Классификационное напряжение варистора (Varistor Voltage). Это величина напряжения, при котором через варистор протекает ток величиной 1 mA. Этот параметр не является рабочим и скорее является условным. При подборе варистора следует обращать внимание на параметры, о которых речь пойдёт далее;

Максимально допустимое переменное напряжение (Maximum Allowable Voltage – ACrms). Для варисторов указывается среднеквадратичное значение переменного напряжения (rms). Это величина переменного напряжения, при котором варистор "срабатывает" и начинает пропускать через себя ток, выполняя свои защитные функции;

Максимально допустимое постоянное напряжение (Maximum Allowable Voltage – DC). Тоже, что и максимально допустимое переменное напряжение но для постоянного тока. Как правило, величина этого параметра больше, чем для переменного тока. Указывается также в вольтах (V);

Максимальное напряжение ограничения (Maximum Clamping Voltage). Это максимальное напряжение, которое способен выдержать варистор без повреждения. Как правило оговаривается для конкретной величины протекающего через варистор тока. При превышении напряжения ограничения варистор выходит из строя. Корпус варистора при этом растрескивается надвое или вовсе разлетается на куски.

Максимальная поглощаемая энергия в джоулях (Дж). Это величина максимальной энергии импульса, которую может рассеять варистор в виде тепла без угрозы разрушения самого варистора;

Время срабатывания – время, за которое варистор переходит из высокоомного состояния в низкоомное при превышении максимально допустимого напряжения. Для широко распространённых варисторов это значение составляет несколько десятков наносекунд (нс). Например, 25 нс.

Допустимое отклонение (Varistor Voltage Tolerance) – допустимое отклонение квалификационного напряжения варистора. Указывается в процентах – %. Может быть ±5%, ±10%, ±20% и т.д. В маркировке импортных варисторов значение допуска зашифровывается в маркировку варистора буквой. Например, для варисторов фирмы Joyin принято такое обозначение: K – ±10%, L – ±15%, M – ±20%, P – ±25%. Таким образом, для варистора типа JVR-07N391K – отклонение составляет не более ±10%.

При подборе варисторов для электронных схем лучше обращаться к справочному листку (даташиту) на конкретный варистор. Это будет более разумным решением, так как на корпус импортных варисторов наноситься только величина квалификационного напряжения, по которому достаточно сложно судить о параметрах защитного элемента.

Применение варисторов.

Для обычной сети 220 вольт устанавливают защитные варисторы с напряжением срабатывания 275 – 420 вольт. Вот пример надёжно защищённого сетевого фильтра.

Этот сетевой фильтр защищают три варистора. То есть надёжно блокируется проникновение импульса не только по фазовой цепи, но и по цепи нуля. Варистор RU1 стоит между фазой и нулевым проводником. Он осуществляет основную защиту. Два других RU2 и RU3 подключаются между фазой и землёй и между нулём и землёй. Очень часто бывает ситуация когда на целой улице у всех пользователей вышла из строя вся электронная бытовая аппаратура. О таких случаях были даже телепередачи, когда тысячи человек не могли разобраться на кого писать заявление в суд.

А всё дело в том, что на линии электроснабжения, питающей допустим улицу или микрорайон, вместо фазы и нуля по обоим проводам пошла фаза. Это почти верная смерть для незащищённой бытовой аппаратуры. То есть между проводами N и PE, если всё нормально, напряжения быть не должно. В случае появления фазы на проводе N варистор RU2 благополучно зашунтирует защищаемый блок. Это один из примеров использования варисторов в цепях питания бытовой электронной аппаратуры.

Миниатюрные многослойные варисторы уже давно используются в схемах мобильных телефонов и защищают их от статического электричества. Так же варисторы используются для надёжной защиты компьютерных разъёмов и выводов микропроцессоров от той же статики. Варисторы активно применяются в автомобильной электронике и телекоммуникационном оборудовании.

Варисторы можно встретить во входных цепях блоков питания. Вот фото варистора 391KD14 на плате резервируемого блока питания.

А здесь варистор FNR-14K391 установлен в схему охранного прибора "Гранит" для защиты его блока питания от всплесков напряжения в электросети 220V.

Обнаружить варистор можно и на платах электронного балласта для люминесцентных ламп. На фото показан варистор MYG-10K471, установленный в схему электронного пуско-регулирующего аппарата (ЭПРА) для четырёх линейных люминесцентных ламп. На плате он обозначен как RU.

Варисторы для защиты бытовой электроники обычно выпускаются в виде диска с двумя выводами. Чем больше диаметр диска, тем более мощный импульс напряжения способен погасить варистор. Мощность импульса или энергию, которую способен "погасить" варистор обычно измеряют в джоулях (Дж).

Вот, например, несколько варисторов. Значение диаметра варистора в миллиметрах, как правило, вводится в маркировку самого варистора, например, JVR-07N391K (диаметр – 7 мм.).

Диаметр самого большого варистора типа MYG-14K391, изображённого на фотографии – 14 мм. (

70 Дж), чуть поменьше варистор MYG-10K471 – 10 мм. (

45 Дж), а маленького JVR-07N391K – 7 мм. (

В скобках указана величина энергии поглощения в джоулях (Дж). Как видим, варистор, обладающий самым большим диаметром в 14 мм. способен погасить энергию опасного импульса в 70 джоулей, в то время как самый маленький варистор диаметром 7 мм. способен погасить всего лишь 30 джоулей. Таким образом, по величине диаметра варистора можно косвенно судить о его максимальной энергии поглощения. Понятно, что в электронные схемы предпочтительнее устанавливать варисторы, рассчитанные на большую энергию поглощения. Также рекомендуется устанавливать в схему по два одинаковых варистора, включенных параллельно.

Также существуют варисторы и для SMD монтажа. По внешнему виду они напоминают SMD диоды и поэтому их достаточно сложно отличить.

К варисторам отечественного производства относятся изделия марки СН2-1А, СН1-2-1, ВР-4В и др.

Конечно, у варисторов имеются недостатки, но они не столь значительны по сравнению с газоразрядными приборами. Прежде всего, варисторы обладают довольно большими шумами на низкой частоте, а также меняют свои параметры со временем и от воздействия температуры.

Стоит заметить, что среди защитных компонентов кроме варистора существует ещё один электронный компонент – супрессор. Это так называемый защитный диод или трансил. По своим функциям (но не устройству!) он чем-то похож на варистор, но обладает большим быстродействием и, как правило, используется в низковольтных цепях.

Кроме маломощных варисторов, которые применяются для защиты бытовой аппаратуры, промышленность выпускает очень мощные варисторы на большие напряжения и токи. Они используются на трансформаторных подстанциях и всегда включаются в системы грозозащиты.

При установке варисторов в самодельные конструкции следует иметь в виду, что иногда, при возникновении критических условий варисторы могут «взрываться» и чтобы предохранить монтаж и другие радиоэлектронные компоненты от последствий такого «взрыва» их стараются помещать в защитные экраны. Если сравнивать варисторы из карбида кремния и оксида цинка то, по мнению специалистов, вторые предпочтительнее.

От перепадов напряжения не застрахована ни одна электросеть, есть множество причин вызывающих это явление, начиная от перегрузки и заканчивая перекосом фаз. Такие броски способны вывести из строя бытовую технику, поэтому практически все современные электронные устройства имеют защиту. Если после очередного перепада в БП какого-нибудь прибора сгорел предохранитель, произведя его замену, не спешите включать технику. На всякий случай проверьте варистор на исправность тестером или мультиметром.

Прежде, чем перейти к тестированию, рекомендуем ознакомиться с кратким описанием варистора, особенностями его работы и характеристиками. Эта информация может быть полезной при поиске аналога, взамен вышедшего из строя элемента.

Рис. 2. Типичные вольт-амперные характеристики: А – варистора, В – обычного резистора

Как видно из графика, когда напряжение на полупроводнике достигает порогового значения, резко увеличивается сила тока, что вызвано понижением сопротивления. Эта характеристика позволяет использовать варистор в качестве защиты от кратковременных скачков напряжения.

Принцип действия, обозначение на схеме, варианты применения

Внешне варистор очень похож на конденсатор, но его внутреннее устройство, как видно из рисунка 3, совершенное иное.

Рисунок 3. Конструкция варистора (1) и его обозначение на схемах (2)

Обозначения:

• А – два металлических электрода в форме диска;
• В – вкрапления оксида цинка (размер кристаллов не соблюден);
• С – оболочка полупроводника, сделанная на основе синтетических отвердителей (эпоксидов);
• D – керамический изолятор;
• Е – выводы.

Помимо конструкции, на рисунке 3 показано обозначение элемента на принципиальных схемах (2).

Содержание оксида цинка в керамическом изоляционном слое определяет порог срабатывания варистора, как только напряжение станет выше допустимого, сопротивление резко снижается и проходящий через полупроводник ток увеличивается. Вырабатывающаяся в результате этого процесса тепловая энергия рассеивается в воздухе.

Такой принцип действия позволяет не допустить выход из строя электронных устройств при краткосрочном перепаде напряжения. Длительный импульс вызовет перегрев и разрушение варистора, но на этот процесс требуется время. Хоть оно исчисляется долями секунды, в большинстве случаев, этого достаточно для срабатывания плавкого предохранителя.

Именно поэтому после замены предохранителя необходимо проверять варистор (внешний осмотр и тестирование мультиметром). В противном случае, следующий перепад напряжения, с большой долей вероятности, приведет к разрушению компонентов электронного устройства.

Пример реализации защиты

На рисунке 4 показан фрагмент принципиальной схемы БП компьютера, на котором наглядно показано типовое подключение варистора (выделено красным).

Рисунок 4. Варистор в блоке питания АТХ

Судя по рисунку, в схеме используется элемент TVR 10471К, используем его в качестве примера расшифровки маркировки:

• первые три буквы обозначают тип, в нашем случае это серия TVR;
• последующие две цифры указывают диаметр корпуса в миллиметрах, соответственно, у нашей детали диаметр 10 мм;
• далее идут три цифры, которые указывают действующее напряжение для данного элемента. Расшифровывается следующим образом: XXY = XX*10 y , в нашем случае это 47*10 1 , то есть 470 вольт;
• последняя буква указывает класс точности, «К» соответствует 10%.

Можно встретить и более простую маркировку, например, К275, в этом случае К – это класс точности (10%), последующие три цифры обозначают величину действующего напряжения, то есть, 275 вольт.

Теперь, когда мы разобрались с основами, можно перейти к проверке варистора

Определяем работоспособность элемента (пошаговая инструкция)

Для данной операции нам потребуются следующие инструменты:

• Отвертка (как правило, крестовая). Чтобы добраться до платы блока питания, потребуется разобрать корпус электронного устройства, тут без отвертки не обойтись.
• Щетка, для очистки печатной платы. Как показывает практика, в БП накапливается много пыли. Особенно это характерно для устройств с принудительным охлаждением, типичный пример, – блок питания компьютера.
• Паяльник. В силовой части БП на плате большие дорожки и нет мелких элементов, поэтому допустимо использовать устройства мощностью до 75 Вт.
• Канифоль и припой.
• Мультиметр или другой прибор, позволяющий измерить сопротивление.

Когда все инструменты готовы, можно приступать к процедуре. Действуем по следующему алгоритму:

1. Разбираем корпус устройства. В данном случае дать детальную инструкцию как это сделать затруднительно, поскольку конструкции приборов существенно отличаются друг от друга. Эту информацию можно найти в инструкции к оборудованию или на сайте производителя, также поможет поиск на тематических форумах и блогах.
2. Добравшись до печатной платы БП, следует очистить ее от пыли. Делать это нужно аккуратно, чтобы не повредить радиодетали. Бывали случаи, когда от чрезмерного усилия, в процессе чистки, щетка повреждала транзистор, тиристор или другой компанент.
3. Когда пыль удалена, находим варистор, он имеет характерный вид, поэтому спутать его можно разве что с конденсатором, но последний отличается маркировкой. Варистор в силовой части БП
4. Найдя элемент, тщательно осматриваем его на предмет повреждений. Это могут быть трещины, сколы и другие нарушения целостности корпуса. В большинстве случаев, определить неисправность можно на этом этапе. При обнаружении повреждений элемент выпаиваем и меняем на такой же или аналог. Подобрать его можно самостоятельно (расшифровка маркировки приводилась выше) или посоветовавшись с продавцом радиодеталей. Варистор со следами повреждений
5. Если визуальный осмотр не дал результатов, следует проверить варистор мультиметром, для этого выпаиваем деталь.
6. Для проведения измерения подключаем щупы к мультиметру (на рисунке 7 гнезда показаны зеленым цветом) и переводим его в режим измерения максимального сопротивления (красный круг на рис. 7). Если у вас мультиметр другого типа, воспользуйтесь инструкцией к прибору. Рисунок 7. Установка режима отмечена красным, гнезда для щупов – зеленым
7. Касаемся щупами выводов и измеряем сопротивление варистора. Оно должно быть бесконечно большим. Иное значение указывает на неисправность варистора, следовательно, его необходимо заменить.

Важный момент! Прежде, чем измерить сопротивление, убедитесь, что пальцы не касаются стальных наконечников щупов, в этом случае прибор покажет сопротивление кожного покрова.

1. Произведя замену (если в этом есть необходимость), собираем устройство.

Принцип действия

Варистор — это полупроводниковый прибор с симметричной нелинейной вольтамперной характеристикой. По ее форме можно сделать вывод о том, что варистор работает и в переменном и в постоянном токе. Рассмотрим её подробнее.

В нормальном состоянии ток через варистор предельно мал, его называют током утечки. Его можно рассматривать как диэлектрический компонент с определенной электрической емкостью и можно говорить, что он не пропускает ток. Но, при определенном напряжении (на картинке это + — 60 Вольт) он начинает пропускать ток.

Другими словами, принцип работы варистора в защитных цепях напоминает разрядник, только в полупроводниковом приборе не возникает дугового разряда, а изменяется его внутреннее сопротивление. При уменьшении сопротивления, ток с единиц микроампер возрастает до сотен или тысяч Ампер.

Условное графическое изображение варистора в схемах:

Обозначение элемента на схемах напоминает обычный резистор, но перечеркнутый по диагонали линией, на которой может быть нанесена буква U. Чтобы найти на плате или в схеме этот элемент – обращайте внимание на подписи, чаще всего они обозначаются, как RU или VA.

Внешний вид варистора:

Варистор устанавливают параллельно цепи для ее защиты. Поэтому при импульсе напряжения защищаемой цепи — энергия поступает не в устройство, а рассеивается в виде тепла на варисторе. Если энергия импульса слишком велика — варистор сгорит. Но понятие сгорит размазано, варианта развития два. Либо варистор просто разорвет на части, либо его кристалл разрушится, а электроды замкнутся накоротко. Это приведет к тому, что выгорят дорожки и проводники, или произойдет возгорание элементов корпуса и других деталей.

Чтобы этого избежать перед варистором, последовательно со всей цепью на сигнальный или питающий провод устанавливают предохранитель. Тогда в случае сильного импульса напряжения и долговременного срабатывания или перегорания варистора сгорит и предохранитель, разорвав цепь.

Если сказать вкратце, для чего нужен такой компонент — его свойства позволяют защитить электрическую цепь от губительных всплесков напряжения, которые могут возникать как на информационных линиях, так и на электрических линиях, например, при коммутации мощных электроприборов. Мы обсудим этот вопрос немного ниже.

Устройство

Варисторы устроены достаточно просто — внутри есть кристалл полупроводникового материала, чаще всего это Оксид Цинка (ZiO) или Карбид Кремния (SiC). Прессованный порошок этих материалов подвергают высокотемпературной обработке (запекают) и покрывают диэлектрической оболочкой. Встречаются либо в исполнении с аксиальными выводами, для монтажа в отверстия на печатной плате, а также в SMD-корпусе.

На рисунке ниже наглядно изображено внутреннее устройство варистора:

Основные параметры

Чтобы правильно подобрать варистор, нужно знать его основные технические характеристики:

1. Классификационное напряжение, может обозначаться как Un. Это такое напряжение, при котором через варистор начинает протекать ток силой в 1 мА, при дальнейшем превышении ток лавинообразно увеличивается. Именно этот параметр указывают в маркировке варистора.
2. Номинальная рассеиваемая мощность P. Определяет, сколько может рассеять элемент с сохранением своих характеристик.
3. Максимальная энергия одиночного импульса W. Измеряется в Джоулях.
4. Максимальный ток Ipp импульса. При том что фронт нарастает в течении 8 мкс, а общая его длительность — 20 мкс.
5. Емкость в закрытом состоянии — Co. Так как в закрытом состоянии варистор представляет собой подобие конденсатора, ведь его электроды разделены непроводящим материалом, то у него есть определенная емкость. Это важно, когда устройство применяется в высокочастотных цепях.

Также выделяют и два вида напряжений:

— максимальное действующее или среднеквадратичное переменное;

Маркировка и выбор варистора

На практике, например, при ремонте электронного устройства приходится работать с маркировкой варистора, обычно она выполнена в виде:

20D 471K

Что это такое и как понять? Первые символы 20D — это диаметр. Чем он больше и чем толще — тем большую энергию может рассеять варистор. Далее 471 — это классификационное напряжение.

Могут присутствовать и другие дополнительные символы, обычно указывают на производителя или особенность компонента.

Теперь давайте разберемся как правильно выбрать варистор, чтобы он верно выполнял свою функцию. Чтобы подобрать компонент, нужно знать в цепи с каким напряжением и родом тока он будет работать. Например, можно предположить, что для защиты устройств, работающих в цепи 220В нужно применять варистор с классификационным напряжением немного выше (чтобы срабатывал при значительных превышениях номинала), то есть 250-260В. Это в корне не верно.

Дело в том, что в цепях переменного тока 220В — это действующее значение. Если не углубляться в подробности, то амплитуда синусоидального сигнала в корень из 2 раз больше чем действующее значение, то есть в 1,41 раза. В результате амплитудное напряжение в наших розетках равняется 300-310 В.

Где 1,1 – коэффициент запаса.

При таких расчетах элемент начнет срабатывание при скачке действующего напряжения больше 240 Вольт, значит его классификационное напряжение должно быть не менее 370 Вольт.

Ниже приведены типовые номиналы варисторов для сетей переменного тока с напряжением в:

120)– 271k;
200В (180

220) – 431k;
240В (210

250) – 471k;
240В (240

Применение в быту

Назначение варисторов — защита цепи при импульсах и перенапряжениях на линии. Это свойство позволило рассматриваемым элементам найти свое применение в качестве защиты:

• линий связи;
• информационных входов электронных устройств;
• силовых цепей.

В большинстве дешевых блоков питания не устанавливают никаких защит. А вот в хороших моделях по входу устанавливают варисторы.

Кроме того, все знают, что компьютер нужно подключать к питанию через специальный удлинитель с кнопкой — сетевой фильтр. Он не только фильтрует помехи, в схемах нормальных фильтров также устанавливают варисторы.

Часто электрики рекомендуют защитить китайские светодиодные лампы, установив варистор параллельно патрону. Также защищают и другие устройства, некоторые монтируют варистор в розетку или в вилку, чтобы обезопасить подключаемую технику.

Чтобы защитить всю квартиру — вы можете установить варистор на дин-рейку, в хороших устройствах в корпусе расположены настоящие мощные варисторы диаметром с кулак. Примером такого устройства является ОИН-1, который изображен на фото ниже:

В заключение хотелось бы отметить, что назначение варистора – защитить какую-либо электрическую цепь. Принцип работы основан на изменении сопротивления полупроводниковой структуры под воздействием высокого напряжения. Напряжение, при котором через элемент начинает течь ток силой 1 мА называют классификационным. Это и диаметр элемента есть основными параметрами при выборе. Пожалуй, мы доступно объяснили, что такое варистор и для чего он нужен, задавайте вопросы в комментариях, если вам что-то непонятно.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезные видео по теме статьи:

Наверняка вы не знаете:

“>