Варистор: принцип действия, проверка и подключение

В электронике можно выделить группу компонентов, задача которых ограничение всплесков напряжения. Один из таких элементов — варистор. Чаще всего данный аппарат можно встретить в большинстве хороших блоков питания. В этой статье мы поговорим о том, как работают и где применяются варисторы.

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:

  • Um~ — максимальное действующее или среднеквадратичное переменное;
  • Um= — максимальное постоянное.

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.

240*1,1*1,41=372 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:

  • 100В (100~120)– 271k;
  • 200В (180~220) – 431k;
  • 240В (210~250) – 471k;
  • 240В (240~265) – 511k.

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:

  • Какие бывают помехи в электросети
  • Принцип работы УЗИП
  • Как сделать сетевой фильтр своими руками
  • Как проверить резистор в домашних условиях

Ремонт и диагностика неисправностей радиоэлектронных устройств происходит путём нахождения вышедших из строя элементов с последующей их заменой. Визуально определить, какая радиодеталь неисправна, часто не представляется возможным, поэтому для выявления поломок используют измерительные приборы — тестеры. С их помощью проверить варистор обычно не составляет труда.

Назначение и характеристики

Варистор — это электронный прибор, имеющий два контакта и обладающий нелинейно-симметричной вольт-амперной характеристикой. Термин «варистор» произошёл от латинских слов variable — «изменяемый» и resisto — «резистор». По своей сути он является полупроводниковым резистором, способным изменять своё сопротивление в зависимости от приложенного к его выводам напряжения.

Изготавливаются такого типа резисторы путём спекания при высокой температуре полупроводника и связующего материала. В качестве полупроводника используется карбид кремния, находящийся в порошкообразном состоянии, или оксид цинка, а связующего вещества — стекло, лак, смола. Полученный после спекания элемент подвергается металлизации с дальнейшим формированием выводов. По своей конструкции приборы выполняются в форме, похожей на диск, таблетку, цилиндр, или плёночного вида.

Обладая свойством резко уменьшать своё сопротивление при возникновении на его выводах определённого напряжения, варистор применяется в электронных схемах в качестве защитного элемента. При возникновении броска напряжения определённой величины полупроводниковый прибор мгновенно снижает своё внутреннее сопротивление до десятков Ом, тем самым практически закорачивая цепь, не давая импульсу повредить остальные элементы схемы. Поэтому важным параметром варистора является значение напряжения, при котором наступает пробой устройства.

Принцип работы элемента подразумевает его включение параллельно цепи питания. После его срабатывания и уменьшения напряжения на входе он самовосстанавливается до первоначального значения. Из-за малой инерционности это происходит мгновенно.

Основные параметры

Перед тем как проверить варистор на исправность, необходимо понимать не только принцип его действия, но и знать, какими характеристиками он обладает. Как и любой электронный элемент, варистор имеет ряд характеристик, которые позволяют его использовать в различных схемах. Основным параметром является вольт-амперная характеристика (ВАХ). Она наглядно показывает, как меняется ток при той или иной величине напряжения. Изучая ВАХ, можно увидеть что варистор, обладая симметрично-двунаправленной характеристикой, работает как в прямой, так и обратной зоне синусоиды, напоминая стабилитрон.

Кроме ВАХ, при исследовании варистора отмечаются следующие характеристики:

  • Um — наибольшее допустимое рабочее напряжение для тока переменной или постоянной величины.
  • P — мощность, которую может рассеять на себе элемент без ухудшения своих параметров.
  • W — допустимая энергия в джоулях, которую может поглотить радиоэлемент при воздействии одиночного импульса.
  • Ipp — наибольшее значение импульсного тока, для которого определена форма импульса.
  • Co — ёмкость, значение которой измеряется у варистора в нормальном состоянии.

Но на практике особое внимание уделяется в основном параметру Um. Эта характеристика показывает уровень напряжения, при котором происходит пробой элемента и начинает течь ток.

Виды устройств

Разнообразие встречаемых видов варисторов обусловлено тем, что производители стремятся в первую очередь повысить их быстродействие. Поэтому и используются SMD технологии безвыводного монтажа, что позволяет добиваться малого времени срабатывания при скачке входного напряжения. Типовое время срабатывания элементов с выводами находится в пределе 15−25 наносекунд, а SMD — 0,5 наносекунд.

Существует класс низковольтных варисторов и высоковольтных. Первые выпускаются с рабочим напряжением до двухсот вольт и силой тока до одного ампера. Вторые же имеют рабочее напряжение до двадцати киловольт. Маломощные элементы используются в качестве защиты от скачка напряжения, возникающего в бытовой сети, а мощные применяются на трансформаторных подстанциях и в системах защиты от грозы.

Маркировка элементов

Независимо от производителя существует стандарт маркировки варисторов. На сам элемент принято наносить цифробуквенный код, в котором зашифровываются основные параметры. Например, для дискового типа это обозначение выглядит как S6K210, где:

  • S — материал, из которого изготовлен варистор;
  • 6 — диаметр корпуса элемента, указывается в миллиметрах;
  • K — величина допуска отклонения;
  • 210 — значение рабочего напряжения, выраженное в вольтах.

Для планарного типа используется такая же маркировка, только первыми буквами ставится CN, обозначающая тип изделия.

На схемах радиоэлемент графически обозначается как перечёркнутый прямоугольник. На перечёркивающей палочке делается полочка, над которой ставится буква U. Подписывается на схемах элемент латинскими буквами RU.

Методы проверки мультиметром

Для проверки варистора, впрочем, как и любого другого радиоэлемента, проще всего использовать специально разработанные для этого приборы. В качестве таких устройств используются мультиметры. Основной параметр, который можно им померить — это внутреннее сопротивление элемента. Но перед тем как непосредственно приступить к проверке варистора, следует подготовиться.

Кроме мультиметра, понадобится:

  • паяльник;
  • припой;
  • флюс;
  • даташит.

Измерение сопротивления элемента можно проводить и без его выпаивания из схемы, но для получения достоверных данных следует отсоединить от платы хотя бы один его вывод. Вся подготовка сводится к тому, что полупроводниковый элемент сначала визуально осматривается на отсутствие: расколов, почернений, трещин. Если сразу видно лопнувший корпус, то проверку можно дальше не проводить. Такой варистор явно неисправен.

Паяльник, флюс и припой понадобится для того, чтобы отпаять один из выводов элемента или даже снять его целиком, а после проверки при необходимости запаять обратно. Даташит на элемент представляет собой официальный документ, выпускаемый производителем. В нём указываются все основные данные и характеристики.

Даташит используется для того, чтобы точно знать, какое рабочее сопротивление в состоянии покоя у радиодетали. Если при замере мультиметром сопротивление варистора не отличается более чем на 10%, то он считается исправным. Если сопротивление значительно меньше указанного в даташите, то его понадобится заменить. Важно отметить, что в обычном состоянии сопротивление варистора достигает нескольких сотен мегаом, поэтому и тестер должен иметь возможность измерять в этом пределе.

Измерения стрелочным прибором

Такое устройство считается аналоговым. В его конструкции используется электромеханическая головка. Она представляет собой рамку, помещаемую в магнитное поле. В зависимости от силы тока стрелка в рамке отклоняется, останавливаясь в определённом положении. Диапазон отклонения стрелки проградуирован числами, согласно которым и вычисляется сопротивление.

Перед тем как приступить к проверке варистора, стрелочный мультиметр понадобится настроить. Для этого выполняется его калибровка. Её суть сводится к выставлению нулевого положения стрелки путём вращения специальной ручки при замыкании щупов друг с другом.

Для этого кнопкой переключения выбирается режим работы, соответствующий значку «Ω», а галетный переключатель устанавливается на самый большой предел измерения сопротивления тестером. Чаще всего он обозначается как «х100», что соответствует мегаомам. Измерение сопротивления происходит от установленного в устройстве источника питания (батарейки). Поэтому, если выставить стрелку в ноль не получается, то батарейку понадобится заменить.

Проводя непосредственно измерения, одним щупом тестера дотрагиваются до одного вывода варистора, а другим — до другого. В итоге возможно три исхода:

  1. Стрелка отклонится до нуля или покажет сопротивление в районе килоомов. Делается вывод о неисправности элемента (пробой).
  2. Результат измерений лежит в пределах сотни мегаом. Такое показание указывает на исправность варистора.
  3. При прикасании к выводам радиоэлемента стрелка никак на это не реагирует. Возможные причины в следующем: диапазона работы прибора не хватает для измерения величины сопротивления варистора, неисправен прибор, неисправен радиоэлемент (обрыв).

Цифровой тестер

Используя цифровой мультиметр, проверить варистор на работоспособность будет немного проще, чем аналоговым. Это связано с тем, что цифровой тестер в своей конструкции имеет жк-дисплей, на котором наглядно отображается измеренное сопротивление.

В основе работы тестера такого тип лежит аналого-цифровой преобразователь, принцип работы которого построен на сравнение измеряемого сигнала с опорным. Следует отметить, что, если при включении тестера на экране высвечивается значок мигающей батарейки, то элемент питания понадобится заменить. Порядок измерения сопротивления варистора можно представить в виде следующих действий:

  1. Переключателем устанавливается максимальный предел измерения сопротивления. Обычно этот предел указывается числом и буквой. Если написаны просто числа, то единица измерения — Ом, буква K после числа обозначает килоом, буква M — мегаом.

  2. Щупы фиксируются на двух выводах варистора, а обратные концы проводов со штекерами вставляются в гнёзда тестера, обозначенные Ω и СОМ. Так как полярность приложенного сигнала к варистору значения не имеет, то и неважно, какой провод подключается к тому или иному выводу элемента. Хотя принято, что в разъём СОМ вставляется шнур чёрного цвета.
  3. Устройство включается путём нажатия на тестере кнопки ON/OFF.
  4. Если на индикаторе высвечивается единица, то это обозначает, что выбран малый предел измерений.
  5. Если на экране отображаются цифры отличные от единицы, то это и есть величина измеряемого сопротивления.

При трактовке результата измерений следует учитывать ещё и допуск. Каждый радиоэлемент имеет свой показатель допуска. Например, если допуск составляет 10 процентов, а внутреннее сопротивление варистора указано как 100 МОм, то полученные результаты должны находиться в пределах от 90 до 110 МОм. Если выявляется, что измеренное сопротивление элемента находится ниже или выше этого диапазона, то его можно считать неисправным.

Применение реостата

Проверить варистор возможно не только путем измерения его внутреннего импеданса. Внутреннее значение сопротивления может соответствовать заявленной величине, но при этом пороговое напряжение варистора будет неверным. Для проверки значения пробоя используется мультиметр с лабораторным автотрансформатором или реостатом.

В тестовой схеме к одному из выводов варистора подключается подвижный контакт реостата, а к другому — плавкий предохранитель. Щупы мультиметра фиксируются параллельно выводам полупроводникового элемента, а он сам переключается в режим измерения напряжений. На свободную пару контактов подаётся разность потенциалов, величина которой превышает значение пробоя компонента.

С помощью движимого контакта реостата плавно изменяется напряжение до момента срабатывания варистора. Этот момент определяется по вольтметру. Первоначально показания мультиметра будут расти, а после резко сбросятся до нуля. При этом предохранитель перегорит. Максимальное зафиксированное ненулевое значение и будет являться пороговым напряжением.

Важно отметить, что при измерении, особенно с помощью реостата, возможно поражение организма электрическим током. Поэтому нельзя забывать о технике безопасности, следует неуклонно её соблюдать.