№6 / 2016 / статья 7

Варистор варистору рознь: надежная защита от скачков напряжения

Антон Стильве (КОМПЭЛ)

Варисторы – надежное средство для подавления скачков напряжения в первичных электрических цепях. Компания Littelfuse выпускает широкую линейку этих изделий, состоящую из нескольких серий, в числе которых – лидеры отрасли по рассеиваемой энергии, индустриальные варисторы серии C-III.

Чтобы быть уверенным в надежном функционировании разрабатываемого устройства, нужно уже на ранних этапах разработки продумать подавление скачков напряжения. Это может быть комплексной задачей, потому что электронные компоненты очень чувствительны к переходным процессам. Разработчик должен определить тип угрозы, из-за которой могут возникать скачки напряжения, и то, каким стандартам должно соответствовать устройство, исходя из области его применения. Варисторы чаще всего применяются для подавления скачков напряжения в первичных цепях. Компаний-производителей варисторов на рынке немало. Рассмотрим различные типы варисторов, остановимся на их физической сущности и сравним варисторы лидера рынка защитных компонентов – компании Littelfuse – с варисторами других популярных производителей – Epcos и Fenghua.

Варистор – электронный прибор, сопротивление которого нелинейно меняется с изменением подаваемого на него напряжения, его вольт-амперная характеристика (ВАХ) схожа с ВАХ двунаправленных диодов Зенера. Варистор состоит, в основном, из оксида цинка ZNO с небольшим содержанием висмута, кобальта, магния и других элементов. Варистор из оксида металла (Metal Oxide Varistor или MOV) спекается в процессе производства в керамический полупроводник с кристаллической микроструктурой, которая позволяет рассеивать очень большие энергии, поэтому варисторы часто используются для защиты от скачков напряжения, вызванных ударами молний, связанных с переходными процессами, с индуктивными нагрузками, электростатическими разрядами в цепях переменного и постоянного тока, а также в промышленных линиях питания. Помимо этого, варисторы используются в сетях с постоянным напряжением, например, в низковольтных источниках питания или автомобильных цепях. Процесс производства варисторов позволяет придать им разнообразную форму. Однако наиболее распространенным форм-фактором варисторов является диск c радиальными выводами.

Характеристики варистора

Тело варистора представляет собой изотропную гранулярную структуру оксида цинка ZnO (рисунок 1). Гранулы отделены друг от друга, и их граница разделения имеет ВАХ, схожую с p-n-переходом в полупроводниках. Эти границы при низких напряжениях имеют очень низкую проводимость, которая нелинейно увеличивается с увеличением напряжения на варисторе.

Рис. 1. Фотография гранулярной структуры варистора, сделанная с помощью электронного микроскопа

Рис. 1. Фотография гранулярной структуры варистора, сделанная с помощью электронного микроскопа

Симметричная ВАХ показана на рисунке 2. Благодаря ей варистор отлично справляется с подавлением скачков напряжения. Когда они появляются в цепи, сопротивление варистора уменьшается во множество раз: от почти непроводящего состояния до высокопроводящего, уменьшая импульс напряжения до безопасного для цепи значения. Таким образом, потенциально опасная для элементов цепи энергия входного импульса напряжения абсорбируется варистором и защищает компоненты, чувствительные к скачкам напряжения.

Рис. 2. Симметричная ВАХ варистора

Рис. 2. Симметричная ВАХ варистора

В местах соприкосновения микрогранул варистора возникает эффект проводимости. Так как количество гранул в объеме варистора очень велико, абсорбируемая варистором энергия значительно превышает энергию, которая может пройти через единичный p-n переход в диодах Зенера. В процессе прохождения тока через варистор весь проходящий заряд равномерно распределяется по всему объему. Таким образом, количество энергии, которую может абсорбировать варистор, напрямую зависит от его объема. Величина рабочего напряжения варистора и максимального тока зависят от расстояния между электродами, между которыми находятся гранулы оксида цинка. Однако есть множество других технологических моментов, которые обуславливают эти электрические параметры: технология гранулирования и спекания, влияющая на размер гранул и их площадь соприкосновения, присоединение металлических выводов, покрытие варистора, легирующие добавки. Например, диапазон рабочих температур дисковых варисторов зависит от типа покрытия диска: у варисторов с эпоксидным покрытием диапазон -55…85°С, у фенолового покрытия, встречающегося у варисторов Littelfuse серии C-III, этот диапазон расширен до 125°С. Также расширенный диапазон рабочих температур имеет большинство серий варисторов для поверхностного монтажа.

Рассмотрим подробнее принцип работы варистора.

В его корпусе между металлическими контактами находятся гранулы со средним размером d (рисунок 3).

Рис. 3. Схематическое изображение микрострук- туры металлоксидного варистора

Рис. 3. Схематическое изображение микроструктуры металл-оксидного варистора

Токопроводящие гранулы оксида цинка со средним размером гранулы d разделены между собой межгранулярными границами.

При разработке варистора для заданного номинального напряжения Vn основным параметром является количество гранул n, заключенных между контактами, что, в свою очередь, влияет на размер варистора. На практике его материал характеризуется градиентом напряжения В/мм, измеренном в коллинеарном направлении с нормалью к плоскости варистора. Для контроля состава и условий производства градиент должен быть постоянным. Так как физические размеры варистора имеют определенные пределы, то сочетание примесей в составе прибора позволяет достичь заданного размера гранул и нужного результата.

Фундаментальным свойством ZnO-варистора является его практически постоянное падение напряжения на границах гранул во всем объеме. Наблюдения показывают, что вне зависимости от вида варистора, падение напряжения на границе соприкосновения гранул всегда составляет 2…3 В. Падение напряжения на границах гранул не зависит и от размера самих гранул. Таким образом, если опустить разные способы производства и легирования оксида цинка, то напряжение варистора будет зависеть от его толщины и размера гранул. Эта зависимость может быть легко выражена в следующем виде (формула 1):

49954, (1)

где d – средний размер гранулы.

Учитывая

49967,

получаем данные, представленные в таблице 1.

Таблица 1. Зависимость структурных параметров варистора от напряжения

Напряжение варистора Vn, В~ Средний размер
гранулы, мкм
n Градиент, В/мм
при 1 мА
Толщина варистора, мм
150 20 75 150 1,5
25 80 12 39 1

Напряжение варистора Vn – это напряжение на вольт-амперной характеристике, где происходит переход из слабопроводящего состояния на линейном участке графика в нелинейный режим высокопроводящего состояния. По общей договоренности для стандартизации измерений был выбран ток 1 мА.

Несмотря на то, что варисторы могут за несколько микросекунд абсорбировать большое количество энергии, они не могут продолжительно находиться в проводящем состоянии. Поэтому в некоторых случаях, когда, например, напряжение в сети на продолжительное время увеличивается до уровня срабатывания, варистор начинается сильно греться. Его перегрев может закончиться возгоранием (рисунок 4). Для защиты от этого стали применяться термисторы. Варистор со встроенным термистором защищен от перегрева, что продлевает его срок службы и защищает устройство от возможного возгорания.

Рис. 4. Результат увеличения напряжения в сети на продолжительное время

Рис. 4. Результат увеличения напряжения в сети на продолжительное время

Проведем сравнительный анализ наиболее популярных варисторов производства компаний Littelfuse, Epcos и Fenghua с рабочим напряжением 250 и 275 В (АС rms) и диаметром диска 10, 14 и 20 мм.

Как видно из таблицы 2, рассеиваемая варистором энергия зависит не только от его размеров, но и от технологии производства и материалов, которые использованы для выпуска серии. Заметим, что серия индустриального класса С-III производства компании Littelfuse вышла на первое место, серия UltraMOV тоже показала очень высокие характеристики, оказавшись на уровне конкурентов – серии Advanced производства Epcos. Также можно отметить, что варисторы C-III при меньшем габарите (D = 14 мм) имеют большую энергию рассеивания, чем стандартные серии конкурентов, имеющие большие размеры (D = 20 мм), а разница в рассеиваемой энергии между качественными варисторами в корпусе D = 20 мм и стандартными варисторами в корпусе D = 10 мм может отличаться на порядок.

Таблица 2. Сравнительный анализ наиболее популярных варисторов производства компаний Littelfuse, Epcos и Fenghua

Наименование Производитель Серия D, мм VRMS, В Imax (8/20 мкс), А Wmax (2 мс), Дж
V275LA40CP Littelfuse C-III 20 275 10000 320
V250LA40CP Littelfuse C-III 20 250 10000 300
B72220S2271K101, S20K275E2 Epcos AdvanceD 20 275 10000 215
B72220S2251K101, S20K250E2 Epcos AdvanceD 20 250 10000 195
V20E275P Littelfuse UltraMOV® 20 275 6500 190
V20E250P Littelfuse UltraMOV® 20 250 6500 170
B72220S0271K101, S20K275 Epcos StandarD 20 275 8000 151
V275LA20CP Littelfuse C-III 14 275 6500 145
FNR-20K431 Fenghua General 20 275 6500 140
B72220S0251K101, S20K250 Epcos StandarD 20 250 8000 140
V250LA20CP Littelfuse C-III 14 250 6500 135
FNR-20K391 Fenghua General 20 250 6500 130
B72214S2271K101, S14K275E2 Epcos AdvanceD 14 275 6000 110
V14E275P Littelfuse UltraMOV® 14 275 4500 110
B72214S2251K101, S14K250E2 Epcos AdvanceD 14 250 6000 100
V14E250P Littelfuse UltraMOV® 14 250 4500 100
FNR-14K431 Fenghua General 14 275 4500 75
B72214S0271K101, S14K275 Epcos StandarD 14 275 4500 71
FNR-14K391 Fenghua General 14 250 4500 70
V275LA10CP Littelfuse C-III 10 275 3500 70
B72214S0251K101, S14K250 Epcos StandarD 14 250 4500 65
V250LA10CP Littelfuse C-III 10 250 3500 60
B72210S2271K101, S10K275E2 Epcos AdvanceD 10 275 3500 55
V10E275P Littelfuse UltraMOV® 10 275 2500 55
B72210S2251K101, S10K250E2 Epcos AdvanceD 10 250 3500 50
V10E250P Littelfuse UltraMOV® 10 250 2500 50
FNR-10K431 Fenghua General 10 275 2500 45
B72210S0271K101, S10K275 Epcos StandarD 10 275 2500 43
FNR-10K391 Fenghua General 10 250 2500 40
B72210S0251K101, S10K250 Epcos StandarD 10 250 2500 38

Обзор варисторов производства компании Littelfuse c разбивкой на серии и области применения представлен в таблице 3.

Таблица 3. Области применения варисторов Littelfuse

Сегмент Типовое применение и примеры Серия Технология SMD-монтаж
Низковольтное оборудование, одноплатные устройства Наладонные и портативные приборы, контроллеры, измерительное оборудование, компьютеры, дистанционные датчики, порты ввода/вывода и интерфейсы, медицинское оборудование СН MOV +
MA, ZA, RA, UltraMOV, CIII MOV
ML, MLE, MLN, MHS MLV +
Электросети, сетевые фильтры Источники бесперебойного питания, измерители мощности, источники питания переменного напряжения, LED-драйверы, блоки питания, промышленные источники питания, автоматы, сетевые фильтры, бытовая электроника, управление питанием TMOV, UltraMOV, CIII, LA, HA, HB, HG, HF, DHB, TMOV34S, RA MOV
SM20, SM7, CH MOV +
Автомобильная электроника ABS, шины данных, контроллеры электродвигателей, сервоприводы, подушки безопасности, управление зеркалами, стеклоподъемниками, щетками SM7, CH MOV
ZA, LV UltraMOV MOV
AUML, ML, MLE, MLN, MHS MLV +
Телекоммуникационное оборудование Сотовые и DECT-телефоны, роутеры, модемы, сетевые карты, защита абонентского оборудования, T1/E1/ISDN, защита шин данных SM7, CH MOV
ZA, LV UltraMOV MOV
SM20, SM7, ML, MLE, MLN, MHS MLV +
Мощное индустриальное оборудование Силовые реле, соленоиды, драйверы электродвигателей, источники питания, роботы, большие двигатели/насосы/компрессоры DA/DB, BA/BB, CA, HA, HB, HC, HG, HF, DHB, TMOV34S, CIII, UltraMOV MOV

Литература

  1. http://www.littelfuse.com/.
  2. Electronics Circuit Protection Product Selection Guide.
  3. http://www.littelfuse.com/~/media/electronics/product_catalogs/littelfuse_product_selection_guide.pdf.pdf.
  4. Metal-Oxide Varistors (MOVs).
  5. http://www.littelfuse.com/~/media/electronics/product_catalogs/littelfuse_varistor_catalog.pdf.pdf.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

Наши информационные каналы

Рубрики:
Применения: , ,

О компании Littelfuse

Компания Littelfuse является ведущим мировым производителем компонентов и устройств для защиты электрических и электронных цепей любого рода. Поставляемые компанией компоненты и системы, во многих случаях являются жизненно важными для устройств в практически всех отраслях и видах продукции: от бытовой электроники и автомобилей до электроэнергетики. Littelfuse предлагает наиболее широкий и полный спектр компонентов и систем защиты цепей на рынке электронных компонентов. Компания расширяет и н ...читать далее