ПРИМЕНЕНИЕ ВАРИСТОРОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Одним из существенных рисков при эксплуатации электронного оборудования является его повреждение в результате резкого повышения напряжения в сети электропитания, так называемых «скачков» напряжения.

В последнее время для защиты электронного оборудования широкое распространение получили варисторы. Варистор — это нелинейный полупроводниковый резистор [3], или как его еще называют нелинейное полупроводниковое сопротивление [2].

Варисторы обладают нелинейной вольт-амперной характеристикой. Варистор подключается параллельно защищаемому оборудованию, и пока напряжение в сети в пределах нормы варистор имеет очень большое электрическое сопротивление, практически это изолятор. При превышении некоего порогового значения сопротивление варистора резко падает, причем становится существенно ниже сопротивления защищаемого оборудования. В результате основной ток в сети проходит через варистор, который принимает на себя  и рассеивает излишек энергии.

По внешнему виду варисторы бывают: пленочные, дисковые, в виде таблеток, стержней и чипов.

Варисторы изготавливают из смеси полупроводниковых материалов на основе многофазных структур из порошка карбида кремния с размерами кристаллитов 20 – 180 мкм и специальных наполнителей, связующих отдельные зерна порошка (от 10 до 40% от общей массы). В качестве связки применяются глины, жидкое стекло, кремнийорганические лаки и т.д. Смесь подвергают термической обработке, в результате которой зерна порошка карбида кремния покрываются слоем окиси кремния толщиной 10^-5 см, а наполнитель спекается. При небольшом напряжении удельное сопротивление такого слоя составляет 10⁶ – 10⁸ Ом·см. Практически это изолятор между отдельными зернами порошка. С учетом того, что удельное сопротивление самих зерен карбида кремния невелико (около 1 Ом·см), при низких напряженностях электрического поля пленки окиси кремния являются запорными слоями, и все приложенное к материалу напряжение приходится на эти запорные слои [3].

Варистор с глинистой связкой называют тиритом. Варисторы со связкой в виде керамической массы на основе жидкого стекла называют вилитами и тервитами. Тервит получают при более высокой температуре термической обработки (свыше 1000 ^оС) по сравнение с вилитом (около 300 ^оС).

После спекания заготовки на ее контактные поверхности наносится металлизированный слой серебра, к которому припаивают выводы варистора. Готовый варистор помещается в фарфоровый или металлический корпус для защиты от механических и атмосферных воздействий, покрывается лаком [1].

Применение варисторов для защиты оборудования обусловлено особенностями их вольт-амперной характеристики – зависимости силы электрического тока от приложенного к данному элементу напряжения.

Простейшая вольт-амперная характеристика идеального проводника, имеющего электрическое сопротивление, не зависящее от силы тока, определяется законом Ома, и представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат. Поскольку сопротивление реальных проводящих сред меняется при изменении условий, их вольт-амперная характеристика, как правило, нелинейна [4]. Вольт-амперная характеристика варистора при изменении напряженности электрического поля может меняться радикально.

Когда напряжение, приложенное к выводам варистора, превысит определенный порог, происходит пробой покрывающей кристаллы карбида кремния изолирующей пленки [5], и кристаллы электрически соединяются между собой. При этом между выводами варистора образуется большое количество параллельных проводящих цепочек кристаллов. В результате сопротивление варистора резко падает, а сила проходящего через него тока резко возрастает. При снижении напряжения ниже порогового значения изоляция кристаллов карбида кремния восстанавливается [3].

Таким образом, варисторы имеют симметричную высоконелинейную (практически пороговую) вольт-амперную характеристику. Типичная вольт-амперная характеристика варистора представлена на рисунке.

Рисунок. Вольт-амперная характеристика варистора

где    I сила тока;

U напряжение на варисторе.

Коэффициент нелинейности варистора (α) – параметр, характеризующий нелинейность вольт-амперной характеристики, который вычисляется по формуле:

где    I₁ = 1 мА, I₂ = 10 мА;

U₁ и U₂ напряжения на варисторе при токах I₁ и I₂.

Перегиб вольтамперной характеристики не имеет вид резкого излома, а носит квадратичный характер. Это обусловлено тем, что слои пленки между зернами имеют несколько разные толщины и, следовательно, пробиваются при различном напряжении электрического поля [3].

Варисторы можно использовать в цепях, как постоянного тока, так и переменного с частотой до нескольких килогерц. Использованию варисторов при более высоких частотах препятствует их заметная собственная емкость [2]. Варисторы включают в сеть электропитания после предохранителя параллельно электроппотребляющим устройствам для их защиты от кратковременных перенапряжений, иногда возникающих в сети [5].

Варисторы относительно недороги в изготовлении, надежны в эксплуатации, способны многократно выдерживать высокие нагрузки [1], могут включаться в цепь в любой полярности. Этими преимуществами обусловлено их широкое применение в качестве компонентов зашиты сложных и дорогостоящих полупроводниковых систем различного назначения:

• бытовая электроника (телевизоры, микроволновые печи);
• устройства промышленной электроники (электродвигатели, схемы защиты);
• аппаратура средств связи;
• устройства обработки данных;
• оборудование передачи электроэнергии (газоразрядники);
• индикаторные средства (автомобильная электроника, железнодорожный транспорт) и другие области применения [1].

Измерения параметров варисторов проводятся согласно:

• ГОСТ 21342.0-75 «Резисторы. Общие требования при измерении электрических параметров»;
• ГОСТ 21342.9-76 «Варисторы. Метод измерения напряжения и тока»;
• ГОСТ 21342.10-76 «Варисторы. Метод измерения коэффициента нелинейности»;
• техническому регламенту на изделия.

Список литературы: