Варисторы (ОПН)

Варисторы – это нелинейные резисторы, сопротивление ко­торых зависит от напряжения, изготовляемые из оксидов метал­лов (преимущественно ZnО). Их вольт-амперная ха­рактеристика в рабочем диапазоне приблизительно описывается уравнением:

I=KU^α

Коэффициент К зависит от размеров (площади таблетки и ее толщины), а а > 25— показатель, зависящий от материала. Ха­рактеристика симметрична и подобна характеристике встречновключенных диодов Зенера (рис. 4.18,а).

Рис. 4.18. Воль-амперные характеристики варисторов:

а — экспоненциальная симметричная зависимость I=KU^α ; б — зависимость в двойном логарифмическом масштабе: штриховая линия — идеальная характе­ристика

Из I=KU^α для нелинейного статического сопротивления в за­висимости от напряжения следует

В паспортах на варисторы нелинейная зависимость сопротив­ления чаще всего дается в двойном логарифмическом масштабе, благодаря чему характеристики принимают форму прямых, изоб­раженных на рис. 4.18,б. За пределами рабочего диапазона, при экстремально больших или малых токах появляются отклонения от степенной зависимости, которые возникают по причине не зависящего от напряжения остаточного сопротивления внутри зерен или от внешних токов утечки.

Схема замещения варистора изображена на рис. 4.19,а.

Рис. 4.19. Упрощенная схема замещения варистора с учетом индуктивности под­водящих проводов L_пар и емкости таблетки C_пар; монтаж варистора, обеспе­чивающий малую паразитную индуктивность.

В то время как изменение сопротивления на границах зерен ZnО (скачок напряжения на границе каждого зерна равен при­мерно 3—5 В) происходит в субнаносекундном диапазоне, из-за индуктивности выводов L_пар и явлений поверхностного эффекта постоянные времени реальных изделий находятся в наносекундном диапазоне. Поэтому для того чтобы полностью использовать быстрое защитное действие активного элемента при высоких ча­стотах или крутых фронтах напряжения, следует подходить к мон­тажу варисторов так же, как к монтажу помехоподавляющих кон­денсаторов.

Емкость С_пар (ε_r ≈ 1200) находится в диапазоне от 100 пФ до нескольких десятков тысяч пикофарад, причем, большие значе­ния имеют место при низких рабочих напряжениях и высокой нагрузочной способности по импульсному току. Влияние емкос­ти препятствует применению варисторов на высокой частоте (ис­ключение — последовательное включение варисторов с диодами меньшей емкости).

Выбор типа варистора происходит поэтапно.

1. Выбор типа варистора по заданному номинальному рабоче­му напряжению с учетом 10—20% на повышение напряжения. Спектр рабочих напряжений распространяется от 5 В до несколь­ких киловольт.

2. Определение размеров варистора в зависимости от макси­мального импульсного тока: максимальный импульсный ток цепи вычисляется с учетом переходного напряжения и внутреннего со­противления источника помех (полного сопротивления Z_и или волнового сопротивления Z₀ при электрически длинных подво­дящих линиях). Максимально допустимая нагрузка варистора им­пульсным током зависит от числа срабатываний варисторов во время срока службы. При однократном срабатывании диапазон простирается от 100 А до 70 кА (блочные варисторы). При повто­ряющих срабатываниях эти значения при определенных обстоя­тельствах должны уменьшаться на несколько порядков.

3. Определение размеров варистора по способности потреб­лять энергию.

Импульсный ток выделяет, в варисторе тепловую энергию

которая в простейшем, "наихудшем" случае определяется как i_maxu_maxt. Если перенапряжение создано при отключении катуш­ки, то предельная энергия, которая может быть выделена в вари­сторе

W_max≤1/2LI²

Как и для максимального импульсного тока, максимальная способность поглощения энергии также является вопросом чис­ла срабатываний варистора во время всего срока службы. При однократном срабатывании энергетический диапазон простира­ется от 0,14 Дж до 10 кДж. При повторяющихся срабатываниях эти значения при определенных обстоятельствах могут быть на несколько порядков меньше.

4. Определение размеров варистора по продолжительности на­грузки. При периодически повторяющихся перенапряжениях дол­жна быть произведена оценка мощности длительных потерь. Она рассчитывается как произведение энергии одного импульса и частоты повторения n (число импульсов в се­кунду):

Р=Wn,

или как частное от деления энергии импульса на длительность интервала между импульсами:

Р=W/T.

В зависимости от конструкции варистора длительная нагрузка лежит в диапазоне 0,01—2 Вт.

5. Проверка уровня защиты. Если известен максимальный им­пульсный ток, то остаточное напряжение на варисторе можно определить из вольтамперной характеристики; оно должно быть ниже значения электрической прочности защищаемого устрой­ства при импульсном воздействии. Если максимальный ток зара­нее неизвестен, исходят из остаточного напряжения и рассчиты­вают при помощи приближенное значение тока и уточня­ют остаточное напряжение. Многократное повторение этих вы­числений дает искомое остаточное напряжение.

Подробные указания по применению вариаторов следует брать из каталогов различных изготовителей. Варисторы бывают дис­ковой или блочной конструкции для больших токов и энергий в виде компонентов модульных устройств, либо имеют трубчатую конструкцию для штепсельных разъемов. Кроме этого, имеются заполненные ZnО термопласты и реактопласты, а также лаки для разнообразного применения. Наконец, следует упомянуть, что имеются также вариаторы из других зависящих от напряжения материалов, например карбида кремния (большая мощность), ко­торые, однако, по сравнению с ограничителями из ZnО находят меньшее применение. Карбид кремния применяется при высо­ких требованиях к стабильности в течение длительного времени, его недостатком является низкий показатель нелинейности (α = 2- 7).