Варистор - Varistor
Варистора является электронным компонентом с электрическим сопротивлением , которое изменяется с приложенным напряжением. Также известен как потенциал-зависимого резистора (VDR), он имеет нелинейный , не- омический вольт-амперную характеристику , которая подобна тому из диода . Однако, в отличие от диода, он имеет одинаковые характеристики для обоих направлений прохождения тока. Традиционно варисторы действительно создавались путем соединения двух выпрямителей, таких как выпрямитель на основе оксида меди или оксида германия, в антипараллельной конфигурации. При низком напряжении варистор имеет высокое электрическое сопротивление, которое уменьшается при повышении напряжения. Современные варисторы в основном основаны на спеченных керамических металлооксидных материалах, которые демонстрируют направленное поведение только в микроскопическом масштабе. Этот тип широко известен как металлооксидный варистор ( MOV ).
Варисторы используются в схемах в качестве элементов управления или компенсации либо для обеспечения оптимальных условий эксплуатации, либо для защиты от чрезмерных переходных напряжений . При использовании в качестве защитных устройств они шунтируют ток, создаваемый чрезмерным напряжением, от чувствительных компонентов при срабатывании триггера.
Название варистора является контаминация из варьирования резистора . Этот термин используется только для неомических переменных резисторов. Переменные резисторы , такие как потенциометр и реостат , имеют омические характеристики.
История
Разработка варистора в виде выпрямителя нового типа на основе слоя закиси меди на меди началась в 1927 году в работе Л.О. Грондала и П.Х. Гейгера.
Варистор из оксида меди показал различное сопротивление в зависимости от полярности и величины приложенного напряжения. Он был построен из небольшого медного диска, одна сторона которого была образована слоем закиси меди. Такая конструкция обеспечивает низкое сопротивление току, протекающему от полупроводникового оксида к стороне меди, но высокое сопротивление току в противоположном направлении, при этом мгновенное сопротивление непрерывно изменяется с приложенным напряжением.
В 1930-х годах небольшие варисторные сборки с максимальным размером менее одного дюйма и, очевидно, с неограниченным сроком службы нашли применение в замене громоздких электронных ламповых схем в качестве модуляторов и демодуляторов в системах несущего тока для телефонной передачи.
Другие применения варисторов в телефонной установке включали защиту цепей от скачков напряжения и шума, а также подавление щелчков на элементах приемника ( наушников ) для защиты ушей пользователей от щелчков при переключении цепей. Эти варисторы были построены путем наслоения четного числа выпрямительных дисков в стек и соединения оконечных концов и центра в антипараллельной конфигурации, как показано на фотографии варистора Western Electric Type 3B от июня 1952 года (ниже).
Варистор Western Electric 3B производства 1952 года для использования в телефонных аппаратах в качестве подавителя щелчков.
Схема традиционной конструкции варисторов, используемых в качестве глушителей щелчков в телефонии.
Традиционный схематический символ варистора, используемый сегодня для диак . Он демонстрирует диодоподобное поведение в обоих направлениях тока.
Варистор Western Electric Type 44A, изготовленный в 1958 году, установлен на элементе телефонной трубки U1 для подавления щелчков.
Western Electric 500 Типа телефонный аппарат 1949 введена схема динамической коррекции контура с помощью варисторов , что шунтируется относительно высоких уровней тока контура на короткие петли центрального офиса , чтобы настроить передачу и прием уровней сигналов автоматически. На длинных петлях варисторы сохраняли относительно высокое сопротивление и не меняли существенно сигналы.
Другой тип варистора был изготовлен из карбида кремния Р.О. Грисдейлом в начале 1930-х годов. Его использовали для защиты телефонных линий от молнии.
В начале 1970-х годов японские исследователи признали полупроводниковые электронные свойства оксида цинка (ZnO) полезными в качестве варистора нового типа в процессе спекания керамики , который проявлял вольт-амперную функцию, аналогичную функции пары обратных связей. задние стабилитроны . Этот тип устройства стал предпочтительным методом защиты цепей от скачков напряжения и других разрушительных электрических помех и стал широко известен как металлооксидный варистор (MOV). Случайная ориентация зерен ZnO в объеме этого материала обеспечивала одинаковые вольт-амперные характеристики для обоих направлений протекания тока.
Состав, свойства и работа металлооксидного варистора
Самый распространенный современный тип варистора - это металлооксидный варистор (MOV). Этот тип содержит керамическую массу зерен оксида цинка в матрице из оксидов других металлов, таких как небольшое количество оксидов висмута, кобальта, марганца, зажатых между двумя металлическими пластинами, которые составляют электроды устройства. Граница между каждым зерном и соседом образует диодный переход, который позволяет току течь только в одном направлении. Накопление случайно ориентированных зерен электрически эквивалентно сети пар встречных диодов, каждая пара параллельна множеству других пар.
Когда на электроды подается небольшое напряжение, протекает только крошечный ток, вызванный обратной утечкой через диодные переходы. При приложении большого напряжения диодный переход выходит из строя из-за комбинации термоэлектронной эмиссии и электронного туннелирования , что приводит к протеканию большого тока. Результатом такого поведения является нелинейная вольт-амперная характеристика, при которой MOV имеет высокое сопротивление при низких напряжениях и низкое сопротивление при высоких напряжениях.
Электрические характеристики
Варистор остается непроводящим в качестве устройства шунтирующего режима во время нормальной работы, когда напряжение на нем остается значительно ниже его «напряжения ограничения», поэтому варисторы обычно используются для подавления скачков напряжения в сети. Варисторы могут выйти из строя по одной из двух причин.
Катастрофический отказ происходит из-за того, что не удалось успешно ограничить очень большой выброс от такого события, как удар молнии , когда задействованная энергия на много порядков больше, чем может выдержать варистор. Проходящий ток в результате удара может расплавить, сжечь или даже испарить варистор. Этот тепловой разгон происходит из-за несоответствия отдельных зернограничных переходов, что приводит к выходу из строя основных путей тока при тепловом напряжении, когда энергия переходного импульса (обычно измеряется в джоулях ) слишком высока (т. Е. Значительно превышает "Абсолютные максимальные рейтинги производителя"). Вероятность катастрофического отказа может быть уменьшена за счет увеличения рейтинга или параллельного использования специально подобранных MOV.
Кумулятивная деградация происходит по мере увеличения скачков. По историческим причинам многие MOV были указаны неправильно, что позволяет частым выбросам также снижать пропускную способность. В этом состоянии варистор не имеет видимых повреждений и внешне выглядит исправным (без катастрофического отказа), но он больше не обеспечивает защиты. В конце концов, он переходит в состояние короткого замыкания, поскольку разряды энергии создают проводящий канал через оксиды.
Основным параметром, влияющим на продолжительность жизни варистора, является его энергетический (Джоуль) рейтинг. Повышение номинальной мощности увеличивает количество (определенный максимальный размер) переходных импульсов, которые он может выдержать, экспоненциально, а также кумулятивную сумму энергии от ограничения меньших импульсов. Когда возникают эти импульсы, «напряжение ограничения», которое он обеспечивает во время каждого события, уменьшается, и обычно считается, что характеристики варистора ухудшились функционально, когда его «напряжение ограничения» изменилось на 10%. Таблицы ожидаемого срока службы производителя относятся к току , серьезности и количеству переходных процессов, чтобы сделать прогнозы отказов на основе общей энергии, рассеиваемой в течение срока службы детали.
В бытовой электронике, особенно в устройствах защиты от перенапряжения , размер варистора MOV достаточно мал, поэтому в конечном итоге ожидается отказ. В других приложениях, таких как передача энергии, используются VDR различной конструкции в различных конфигурациях, рассчитанных на длительный срок службы.
Уровень напряжения
MOV указаны в соответствии с диапазоном напряжений, который они могут выдерживать без повреждений. Другими важными параметрами являются номинальная энергия варистора в джоулях, рабочее напряжение, время отклика, максимальный ток и напряжение пробоя (ограничения). Рейтинг энергопотребления часто определяется с использованием стандартных переходных процессов, таких как 8/20 микросекунд или 10/1000 микросекунд, где 8 микросекунд - это время фронта переходного процесса, а 20 микросекунд - время до половины значения.
Емкость
Типичная емкость варисторов потребительского размера (диаметром 7–20 мм) находится в диапазоне 100–2 500 пФ. Доступны варисторы меньшей емкости с емкостью ~ 1 пФ для микроэлектронной защиты, например, в сотовых телефонах. Однако эти варисторы с малой емкостью не способны выдерживать большие импульсные токи просто из-за их компактных размеров для монтажа на печатной плате.
Время отклика
Время отклика MOV не стандартизовано. Заявление о субнаносекундном отклике MOV основано на собственном времени отклика материала, но будет замедляться другими факторами, такими как индуктивность выводов компонентов и метод монтажа. Это время отклика также считается незначительным по сравнению с переходным процессом, имеющим время нарастания 8 мкс, что дает устройству достаточно времени для медленного включения. При очень быстром переходном процессе с временем нарастания <1 нс время отклика MOV находится в диапазоне 40–60 нс.
Приложения
Для защиты линий связи используются устройства подавления переходных процессов, такие как угольные блоки толщиной 3 мил (IEEE C62.32), варисторы со сверхмалой емкостью и лавинные диоды . Для более высоких частот, таких как оборудование радиосвязи, может использоваться газоразрядная трубка (GDT). Типичный ограничитель перенапряжения удлинитель построен с использованием варисторов. В недорогих версиях может использоваться только один варистор, от горячего (активного, активного) до нейтрального проводника. Лучший протектор содержит как минимум три варистора; по одному на каждой из трех пар проводников. В США протектор удлинителя должен иметь одобрение 3-го издания Underwriters Laboratories (UL) 1449, чтобы катастрофический отказ MOV не создавал опасности возгорания.
Опасности
Несмотря на то, что MOV предназначен для проведения значительной мощности в течение очень коротких промежутков времени (от 8 до 20 микросекунд), например, вызванных ударами молнии, он обычно не обладает способностью проводить устойчивую энергию. При нормальном напряжении электросети это не проблема. Однако определенные типы неисправностей в энергосистеме общего пользования могут привести к устойчивому перенапряжению. Примеры включают потерю нейтрального проводника или короткое замыкание линий в системе высокого напряжения. Приложение постоянного перенапряжения к MOV может вызвать сильное рассеяние, что потенциально может привести к возгоранию устройства MOV. Национальная ассоциация противопожарной защиты (NFPA) зафиксировала многочисленные случаи катастрофических пожаров , которые были вызваны варисторами устройствами перенапряжения, и издала бюллетени по этому вопросу.
Последовательно подключенный плавкий предохранитель - одно из решений катастрофического отказа MOV. Также доступны варисторы с внутренней тепловой защитой.
Следует отметить несколько проблем, касающихся поведения ограничителей перенапряжения (TVSS), включающих MOV, в условиях перенапряжения. В зависимости от уровня проводимого тока рассеиваемого тепла может быть недостаточно, чтобы вызвать сбой, но он может вывести устройство MOV из строя и сократить его ожидаемый срок службы. Если MOV проводит чрезмерный ток, он может катастрофически выйти из строя, оставив нагрузку подключенной, но теперь без какой-либо защиты от перенапряжения. У пользователя может не быть индикации отказа ограничителя перенапряжения. При правильных условиях перенапряжения и импеданса линии может оказаться возможным вызвать возгорание MOV, что является основной причиной многих возгораний и основной причиной беспокойства NFPA, которое привело к принятию UL1449 в 1986 году и последующим пересмотрам в 1998 и 2009 годах. • Правильно спроектированные устройства TVSS не должны приводить к катастрофическим отказам, приводящим к срабатыванию плавкого предохранителя или чего-то подобного, которое отключает только устройства MOV.
Ограничения
MOV внутри ограничителя импульсных перенапряжений (TVSS) не обеспечивает полной защиты электрического оборудования. В частности, он не обеспечивает защиты от длительных перенапряжений, которые могут привести к повреждению этого оборудования, а также устройства защиты. Другие устойчивые и опасные перенапряжения могут быть ниже и, следовательно, игнорироваться устройством MOV.
Варистор не обеспечивает защиты оборудования от бросков пускового тока (при запуске оборудования), от сверхтока ( вызванного коротким замыканием) или от провалов напряжения ( сбоев ); он не ощущает и не влияет на такие события. Восприимчивость электронного оборудования к этим другим сбоям в электроснабжении определяется другими аспектами конструкции системы, будь то внутри самого оборудования или извне с помощью таких средств, как ИБП, регулятор напряжения или устройство защиты от перенапряжения со встроенной защитой от перенапряжения (которое обычно состоит из цепи измерения напряжения и реле для отключения входа переменного тока, когда напряжение достигает порога опасности).
Сравнение с другими подавителями переходных процессов
Другой метод подавления скачков напряжения - это диод подавления переходных процессов (TVS). Хотя диоды не обладают такой большой способностью проводить большие выбросы, как MOV, характеристики диодов не ухудшаются из-за меньших выбросов и могут быть реализованы с более низким «ограничивающим напряжением». MOV ухудшаются из-за многократного воздействия скачков и обычно имеют более высокое «ограничивающее напряжение», так что утечка не ухудшает MOV. Оба типа доступны в широком диапазоне напряжений. MOV обычно более подходят для более высоких напряжений, потому что они могут проводить более высокие связанные энергии с меньшими затратами.
Другой тип подавителя переходных процессов - это газотрубный подавитель. Это тип искрового разрядника, в котором может использоваться воздух или смесь инертных газов и часто небольшое количество радиоактивного материала, такого как Ni-63 , для обеспечения более постоянного напряжения пробоя и уменьшения времени отклика. К сожалению, эти устройства могут иметь более высокое напряжение пробоя и более длительное время отклика, чем варисторы. Однако они могут выдерживать значительно более высокие токи короткого замыкания и выдерживать множественные высоковольтные удары (например, от молнии ) без значительного ухудшения характеристик.
Многослойный варистор
Устройства с многослойным варистором (MLV) обеспечивают защиту электронных схем от электростатических разрядов от переходных процессов от низкой до средней энергии в чувствительном оборудовании, работающем при 0–120 вольт постоянного тока. Они имеют пиковые значения тока от 20 до 500 ампер и пиковые значения энергии от 0,05 до 2,5 джоулей.
См. Также
- Восстанавливаемый предохранитель , устройство, чувствительное к току
- Трисил
использованная литература
внешние ссылки
- Азбука MOV - рекомендации по применению от компании Littelfuse
- Тестирование варистора от компании Littelfuse