Każde urządzenie elektroniczne wchodzące w skład sieci wymaga zabezpieczenia przed przekroczeniem progowych wartości prądu lub napięcia. Do ochrony prądowej stosuje się różne bezpieczniki i wyłączniki, ale najczęściej stosuje się warystory do ochrony urządzenia przed przepięciem. W tym artykule rozważymy zasadę działania warystora, jego cechy, zalety i wady tego elementu elektronicznego.
Zawartość
Co to jest warystor i gdzie jest używany
Warystor - Jest to rezystor zmienny wykonany z materiału półprzewodnikowego, który jest w stanie zmieniać swoją rezystancję elektryczną w zależności od przyłożonego do niego napięcia.
Zasada działania takiego elementu elektronicznego różni się od konwencjonalnego rezystora i potencjometru. Standard rezystor posiada stałą wartość rezystancji w dowolnym momencie, niezależnie od napięcia w obwodzie, potencjometr pozwala na ręczną zmianę rezystancji poprzez przekręcenie pokrętła. Ale warystor ma nieliniową, symetryczną charakterystykę prądowo-napięciową, a jego rezystancja zależy całkowicie od napięcia w obwodzie.
Dzięki tej właściwości warystory są szeroko i skutecznie wykorzystywane do ochrony sieci elektrycznych, maszyn i urządzeń, a także elementów elektronicznych, płytek i mikroukładów, niezależnie od rodzaju napięcia. Charakteryzują się niskim kosztem produkcji, są niezawodne w użytkowaniu i są w stanie wytrzymać duże obciążenia.
Warystory znajdują zastosowanie zarówno w instalacjach wysokonapięciowych do 20 kV, jak i niskonapięciowych od 3 do 200 V jako ograniczniki napięcia. Jednocześnie mogą pracować zarówno w sieciach z prądem przemiennym, jak i stałym. Służą do regulacji i stabilizacji prądu i napięcia, a także w urządzeniach przeciwprzepięciowych. Stosowany przy projektowaniu filtrów sieciowych, zasilaczy, telefonów komórkowych, SPD i inne SPE.
Rodzaje i zasada działania
Podczas pracy w normalnych warunkach warystor ma ogromną rezystancję, która może się zmniejszyć, gdy napięcie przekroczy wartość progową. Oznacza to, że jeśli napięcie w obwodzie znacznie wzrośnie, warystor przechodzi ze stanu izolacyjnego do stanu przewodzącego prąd elektryczny i, ze względu na efekt lawinowy w półprzewodniku, stabilizuje napięcie, przepuszczając przez siebie duży prąd.
Warystory mogą pracować z wysokim i niskim napięciem i odpowiednio są podzielone na dwie grupy urządzeń, które mają tę samą zasadę działania:
- Wysokie napięcie: zdolne do pracy w obwodach o wartościach prądu do 20 kV (stosowane w systemach ochronnych sieci i urządzeń, w urządzeniach przeciwprzepięciowych).
- Niskie napięcie: napięcie znamionowe dla tego typu komponentów waha się od 3 do 200 V (służy do ochrony urządzeń elektronicznych i elementów wyposażenia prądem 0,1 - 1 A i jest instalowane na wejściu lub wyjściu źródła zasilania).
Czas reakcji warystora w wzrost mocy wynosi około 25 ns, co jest wartością doskonałą, ale w niektórych przypadkach niewystarczającą. Dlatego producenci podzespołów elektronicznych opracowali technologię wytwarzania rezystora smd, który ma czas odpowiedzi 0,5 ns.
Warystory wszystkich typów wykonuje się z węglika krzemu lub tlenku cynku poprzez spiekanie tego materiału ze spoiwem (żywica, glina, szkło) w wysokiej temperaturze. Po otrzymaniu elementu półprzewodnikowego jest on obustronnie metalizowany za pomocą metalowych przewodów lutowniczych do podłączenia.
Oznakowanie, główne cechy i parametry
Każdy producent warystorów określa swój produkt w określony sposób, więc istnieje dość duża liczba możliwości oznaczenia i ich interpretacji. Najpopularniejszym rosyjskim warystorem jest K275, a popularne komponenty zagraniczne to 7n471k, kl472m i inne.
Oznaczenie warystora CNR-10d751k można rozszyfrować w następujący sposób: CNR – warystor z tlenku metalu; d - oznacza, że składnik ma postać dysku; 10 to średnica dysku; 751 – napięcie odpowiedzi dla tego urządzenia (obliczenie następuje mnożąc dwie pierwsze cyfry przez 10 do mocy równej trzeciej cyfrze, czyli 75 razy 10 do pierwszego stopnia, otrzymujemy 750 V); k - dopuszczalne odchylenie napięcia znamionowego, które wynosi 10% w dowolnym kierunku (l - 15%, M - 20%, P - 25%).
Główną cechą warystorów są następujące parametry:
Napięcie klasyfikacyjne - napięcie przy określonych wartościach prądu płynącego przez warystor (typowo wartość ta wynosi 1mA). To ustawienie jest warunkowe i nie wpływa na wybór urządzenia;
Maksymalne dopuszczalne napięcie - Zakres napięcia (RMS lub RMS), przy której warystor zaczyna obniżać swoją rezystancję;
Maksymalna energia absorpcji - charakterystyka pokazująca wartość energii, którą warystor rozprasza i nie zawodzi pod wpływem pojedynczego impulsu (mierzone w dżulach);
Maksymalny prąd udarowy – normalizuje czas narastania i czas trwania impulsu prądowego (mierzone w amperach);
Pojemność to bardzo ważny parametr, który jest mierzony przy stanie zamkniętym i przy danej częstotliwości (spada do zera, jeśli do warystora zostanie doprowadzony duży prąd);
Tolerancja - odchylenie od nominalnej różnicy potencjałów w obu kierunkach (wskazane w procentach).
Czas odpowiedzi - przedział czasu, dla którego warystor przechodzi ze stanu zamkniętego do otwartego (zwykle kilkadziesiąt nanosekund).
Zalety i wady warystorów
Ważną zaletą rezystora nieliniowego (warystora) jest jego stabilna i niezawodna praca przy wysokich częstotliwościach i dużych obciążeniach. Stosowany jest w wielu urządzeniach pracujących z napięciami od 3 V do 20 kV, jest stosunkowo prosty i tani w wykonaniu oraz wydajny w eksploatacji. Dodatkowe ważne korzyści to:
- wysoka szybkość reakcji (nanosekundy);
- długa żywotność;
- możliwość monitorowania spadków napięcia (metoda bezinercyjna).
Pomimo tego, że ten element elektroniczny ma wiele zalet, ma też wady, które wpływają na jego zastosowanie w różnych systemach. Obejmują one:
- hałas o niskiej częstotliwości podczas pracy;
- starzenie się elementów (utrata parametrów w czasie);
- duża pojemność: zależy od napięcia i rodzaju elementu, mieści się w zakresie od 70 do 3200 pF i wpływa na wydajność urządzenia;
- przy maksymalnych wartościach napięcia moc nie jest rozpraszana - znacznie się przegrzewa i zawodzi przy długotrwałych maksymalnych wartościach napięcia.
Wybór warystora
Aby dobrać odpowiedni warystor do konkretnego urządzenia, trzeba znać charakterystykę jego źródła zasilania: rezystancję i moc impulsów nieustalonych. Maksymalna dopuszczalna wartość prądu zależy między innymi od czasu jego ekspozycji i liczby powtórzeń, dlatego przy instalacji warystora o niedoszacowanej wartości prądu szczytowego szybko się zawiedzie.Krótko mówiąc, dla skutecznej ochrony urządzenia konieczny jest wybór warystora o napięciu, które ma niewielki margines w stosunku do wartości nominalnej.
Również dla bezawaryjnej pracy takiego elementu elektronicznego bardzo ważna jest szybkość rozpraszania pochłoniętej energii cieplnej oraz możliwość szybkiego powrotu do stanu normalnej pracy.
Oznaczenie na schemacie i opcje podłączenia warystora
Na schematy warystor zwykle oznaczone, tak jak zwykły rezystor, ale z dodanym U obok ukośnika. Ta cecha wskazuje na schematach, że ten element ma zależność rezystancji od napięcia w obwodzie. Również na schemat połączeń element ten jest oznaczony dwiema literami R i U z dodatkiem numeru seryjnego (RU1, RU2...itd.).
Istnieje wiele opcji łączenia warystorów, ale wspólną cechą wszystkich metod jest to, że ten element jest połączony równolegle z obwodem mocy. Dlatego przy braku niebezpiecznych wartości impulsów napięciowych prąd płynący przez warystor ma małą wartość (ze względu na duże wartości rezystancji) i nie wpływa w żaden sposób na wydajność układu. W przypadku wystąpienia przepięcia warystor zmienia rezystancję na małe wartości, obciążenie jest bocznikowane, a pochłonięta energia jest rozpraszana do otaczającej przestrzeni.
Podobne artykuły:
