Varistor: princip činnosti, hlavní charakteristiky, označení na schématu

Každé elektronické zařízení, které je připojeno k síti, potřebuje ochranu před překročením prahových hodnot proudu nebo napětí. Pro proudovou ochranu se používají různé pojistky a jističe, ale k ochraně zařízení před přepětím se nejčastěji používají varistory. V tomto článku se podíváme na princip činnosti varistoru, jeho vlastnosti, výhody a nevýhody této elektronické součástky.

Co je varistor a kde se používá?

Varistor je proměnný rezistor vyrobený z polovodičového materiálu, který je schopen měnit svůj elektrický odpor v závislosti na napětí, které je na něj aplikováno.

Princip činnosti takové elektronické součástky se liší od běžného odporu a potenciometru. Standardní odpor má konstantní hodnotu odporu kdykoli, bez ohledu na napětí v obvodu, potenciometr umožňuje ručně měnit odpor otáčením ovládacího knoflíku. Ale varistor má nelineární symetrickou charakteristiku proud-napětí a jeho odpor zcela závisí na napětí v obvodu.

Díky této vlastnosti jsou varistory široce a efektivně využívány k ochraně elektrických sítí, strojů a zařízení, ale i radioelektronických součástek, desek a mikroobvodů bez ohledu na typ napětí. Mají nízkou výrobní cenu, jsou spolehlivé při používání a snesou vysoké zatížení.

Varistory se používají jak ve vysokonapěťových instalacích do 20 kV, tak v nízkonapěťových instalacích od 3 do 200 V jako omezovač napětí. Navíc mohou pracovat v sítích se střídavým i stejnosměrným proudem. Používají se k regulaci a stabilizaci proudu a napětí a také v přepěťových ochranách. Používají se při konstrukci přepěťových ochran, napájecích zdrojů, mobilních telefonů, přepěťových ochran a dalších přepěťových ochran.

Čtěte také: Co je to kondenzátor, typy kondenzátorů a jejich použití

Druhy a princip činnosti

Při provozu za normálních podmínek má varistor obrovský odpor, který se může snížit, když napětí překročí prahovou hodnotu. To znamená, že pokud se napětí v obvodu výrazně zvýší, varistor přejde z izolačního stavu do elektricky vodivého a vlivem lavinového efektu v polovodiči stabilizuje napětí tím, že jím prochází velký proud.

Varistory mohou pracovat s vysokým a nízkým napětím, a proto jsou rozděleny do dvou skupin zařízení, která mají stejný princip činnosti:

1. Vysoké napětí: schopné provozu v obvodech s proudovými hodnotami do 20 kV (používané v ochranných systémech sítí a zařízení, přepěťových ochranách).
2. Nízké napětí: jmenovité napětí pro komponenty tohoto typu se pohybuje od 3 do 200 V (používá se k ochraně elektronických zařízení a komponent zařízení s proudem 0,1 – 1A a je instalován na vstupu nebo výstupu napájecího zdroje).

Doba odezvy varistoru při napěťovém rázu je cca 25 ns, což je výborná hodnota, v některých případech však nedostačující. Proto výrobci elektronických součástek vyvinuli technologii výroby SMD rezistoru, který má dobu odezvy 0,5 ns.

Varistory všech typů jsou vyráběny z karbidu křemíku nebo oxidu zinečnatého slinováním tohoto materiálu s pojivem (pryskyřice, jíl, sklo) při vysoké teplotě. Po přijetí polovodičového prvku je tento oboustranně pokoven připájením kovových vývodů pro spojení.

Značení, hlavní charakteristiky a parametry

Každý výrobce varistorů označuje svůj produkt určitým způsobem, takže možností označení a jejich interpretací je poměrně velké množství. Nejběžnějším ruským varistorem je K275 a oblíbené komponenty zahraniční výroby jsou 7n471k, kl472m a další.

Označení varistoru CNR-10d751k lze dešifrovat následovně: CNR – varistor z oxidu kovu; d – znamená, že součást má tvar disku; 10 – je průměr disku; 751 – odezvové napětí pro toto zařízení (výpočet se provádí vynásobením prvních dvou číslic 10 na výkon rovnající se třetí číslici, tj. 75 vynásobený 10 na první výkon, dostanete 750 V); k – přípustná odchylka jmenovitého napětí, která se rovná 10 % v libovolném směru (l – 15 %, M – 20 %, P – 25 %).

Hlavní charakteristiky varistorů jsou následující parametry:

Klasifikační napětí – napětí při určitých hodnotách proudu protékajícího varistorem (Obvykle je tato hodnota 1 mA). Tento parametr je podmíněný a neovlivňuje výběr zařízení;

Maximální přípustné napětí – rozsah napětí (střední kvadratická nebo efektivní hodnota), kdy varistor začíná snižovat svůj odpor;

Maximální absorpční energie je charakteristika, která ukazuje hodnotu energie, kterou varistor rozptýlí a neselže, když je vystaven jedinému pulzu (měřeno v joulech);

Maximální pulzní proud – normalizuje dobu náběhu a dobu trvání aktuálního pulzu (měřeno v ampérech);

Kapacita je velmi důležitý parametr, který se měří v zavřeném stavu a při dané frekvenci (klesne na nulu, pokud je do varistoru přiveden vysoký proud);

Přípustná odchylka – odchylka od jmenovitého rozdílu potenciálu v obou směrech (uvedeno v procentech).

Doba odezvy je časový úsek, během kterého varistor přejde z uzavřeného stavu do otevřeného stavu (obvykle několik desítek nanosekund).

Výhody a nevýhody varistorů

Důležitými výhodami nelineárního rezistoru (varistoru) je jeho stabilní a spolehlivý provoz s vysokými frekvencemi a velkým zatížením. Používá se v mnoha zařízeních pracujících s napětím od 3 V do 20 kV, je poměrně jednoduchý a levný na výrobu a je účinný v provozu. Další důležité výhody jsou:

• vysoká rychlost odezvy (nanosekundy);
• dlouhá životnost;
• schopnost sledovat poklesy napětí (metoda bez setrvačnosti).

Navzdory skutečnosti, že tato elektronická součástka má mnoho výhod, má také nevýhody, které ovlivňují její použití v různých systémech. Patří sem:

• nízkofrekvenční hluk během provozu;
• stárnutí součásti (ztráta parametrů v průběhu času);
• vysoká kapacita: závisí na napětí a typu prvku, pohybuje se od 70 do 3200 pF a ovlivňuje výkon zařízení;
• při maximálních hodnotách napětí se výkon neztrácí – výrazně se přehřívá a při delších maximálních hodnotách napětí selhává.

Výběr varistoru

Chcete-li vybrat správný varistor pro konkrétní zařízení, musíte znát vlastnosti jeho napájecího zdroje: odpor a přechodný pulzní výkon. Maximální přípustná hodnota proudu je určena mimo jiné délkou jeho působení a počtem opakování, proto pokud nainstalujete varistor s nízkou špičkovou hodnotou proudu, rychle selže. Stručně řečeno, pro účinnou ochranu zařízení je nutné zvolit varistor s napětím, které má malou rezervu vůči jmenovitému.

Pro bezporuchový provoz takové elektronické součástky je také velmi důležitá rychlost rozptylu absorbované tepelné energie a schopnost rychlého návratu do stavu normálního provozu.

Označení na schématu a možnosti připojení varistoru

Na schématech je varistor obvykle označen jako běžný rezistor, ale s přidáním písmene U vedle lomítka. Tato vlastnost ve schématech naznačuje, že tento prvek má závislost odporu na napětí v obvodu. Také na elektrickém schématu je tento prvek označen dvěma písmeny R a U s doplněním sériového čísla (RU1, RU2 . atd.).

Možností připojení varistorů je velké množství, ale pro všechny způsoby je společné to, že tato součástka je zapojena paralelně k napájecímu obvodu. Proto při absenci nebezpečných hodnot napěťových impulzů je proud, který protéká varistorem, malý (kvůli velkým hodnotám odporu) a žádným způsobem neovlivňuje výkon systému. Když dojde k přepětí, varistor změní odpor na malé hodnoty, zátěž se posune a absorbovaná energie se rozptýlí do okolního prostoru.

Co je to rezistor a k čemu slouží?

SPD – co to je, popis a schémata připojení v soukromém domě

Jak správně vypočítat rezistor pro LED?

Co je napěťové relé a proč je potřeba v bytě

Princip činnosti a schéma zapojení tepelného relé

Výpočet a minimalizace úbytku napětí v kabelovém vedení