Варистор - Varistor

Металлооксидный варистор производства Siemens & Halske AG.
Схематический символ современного варистора.

А варистор является электронный компонент с электрическое сопротивление это зависит от приложенного напряжения.[1] Также известен как резистор зависимый от напряжения (VDR), имеет нелинейный, не-омический вольт-амперная характеристика это похоже на диод. Однако в отличие от диода он имеет одинаковые характеристики для обоих направлений прохождения тока. Традиционно варисторы действительно конструировались путем соединения двух выпрямителей, таких как выпрямитель на основе оксида меди или оксида германия. антипараллельный конфигурация. При низком напряжении варистор имеет высокое электрическое сопротивление, которое уменьшается при повышении напряжения. Современные варисторы в первую очередь основаны на спеченных керамика металлооксидные материалы, которые демонстрируют направленное поведение только в микроскопическом масштабе. Этот тип широко известен как металлооксидный варистор (MOV).

Варисторы используются как элементы управления или компенсации в схемы либо для обеспечения оптимальных условий эксплуатации, либо для защиты от чрезмерных переходных процессов напряжения. При использовании в качестве защитных устройств они шунт ток, создаваемый чрезмерным напряжением вдали от чувствительных компонентов при срабатывании триггера.

Название варистор это чемодан из переменный резистор. Этот термин используется только для неомических переменных резисторов. Переменные резисторы, такой как потенциометр и реостат, имеют омический характеристики.

История

Разработка варистора в виде нового типа выпрямитель на основе закись меди слой на меди, созданный в работе Л.О. Грондал и П. Гейгером в 1927 году.[2]

Варистор из оксида меди показал различное сопротивление в зависимости от полярности и величины приложенного напряжения.[3] Он был построен из небольшого медного диска, одна сторона которого была образована слоем закиси меди. Такое расположение 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, по-видимому, с неограниченным сроком службы нашли применение в замене громоздких электронных ламповых схем в качестве модуляторов и демодуляторов в системы несущего тока для телефонной передачи.[3]

Другие применения варисторов в телефонной установке включали защиту цепей от скачков напряжения и шума, а также подавление щелчков на приемнике (наушник) элементы для защиты ушей пользователей от хлопков при переключении цепей. Эти варисторы были сконструированы путем размещения четного количества дисков выпрямителя в стеке и соединения концов клемм и центра в антипараллельной конфигурации, как показано на фотографии Western Electric Варистор типа 3В, июнь 1952 г. (внизу).

  • 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.[4]

  • Условное обозначение традиционного варистора,[5] используется сегодня для диак. Он отражает поведение диода в обоих направлениях тока.

  • Варистор Western Electric Type 44A, изготовленный в 1958 году, установлен на элементе телефонной трубки U1 для подавления щелчков.

В Телефонный аппарат Western Electric тип 500 в 1949 году представила схему динамического выравнивания контура с использованием варисторов, которые шунтировали относительно высокие уровни тока контура на короткие контуры центрального офиса для автоматической регулировки уровней сигналов передачи и приема. На длинных петлях варисторы сохраняли относительно высокое сопротивление и не меняли существенно сигналы.[6]

Другой тип варистора был сделан из Карбид кремния Р. О. Грисдейла в начале 1930-х гг. Его использовали для защиты телефонных линий от молнии.[7]

В начале 1970-х годов японские исследователи признали полупроводниковые электронные свойства оксида цинка (ZnO) полезными как новый тип варистора в керамика процесс спекания, при котором функция напряжения-тока аналогична функции пары соединенных друг с другом Стабилитроны.[8][9] Этот тип устройства стал предпочтительным методом защиты цепей от скачков напряжения и других разрушительных электрических помех и стал 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

Зависимость тока варистора от напряжения для устройств из оксида цинка (ZnO) и карбида кремния (SiC)

Самый распространенный современный тип варистора - это металлооксидный варистор (MOV). Этот тип содержит керамика масса оксид цинка зерна в матрице из оксидов других металлов, таких как небольшие количества оксидов висмута, кобальта, марганца, зажатые между двумя металлическими пластинами, которые составляют электроды устройства. Граница между каждым зерном и соседом образует диод соединение, которое позволяет току течь только в одном направлении. Накопление случайно ориентированных зерен электрически эквивалентно сети пар встречных диодов, каждая пара параллельна множеству других пар.[10]

Когда на электроды подается небольшое напряжение, протекает только крошечный ток, вызванный обратной утечкой через диодные переходы. При подаче большого напряжения диодный переход выходит из строя из-за комбинации термоэлектронная эмиссия и электронное туннелирование, что приводит к большому току. 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, как шунт -режиме устройства во время нормальной работы, когда напряжение на нем остается значительно ниже его «напряжения ограничения», поэтому для подавления скачков напряжения в сети обычно используются варисторы. 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 молния удар, где задействованная энергия на много порядков больше, чем может выдержать варистор. Последующий ток в результате удара может расплавить, сжечь или даже испарить варистор. Эта тепловой разгон происходит из-за несоответствия отдельных зернограничных переходов, что приводит к выходу из строя основных путей тока при тепловом напряжении, когда энергия в преходящий пульс (обычно измеряется в джоули ) слишком высока (т.е. значительно превышает "абсолютные максимальные значения" производителя). Вероятность катастрофического отказа может быть уменьшена путем увеличения рейтинга или параллельного использования специально подобранных MOV.[11]

Кумулятивная деградация происходит по мере увеличения скачков напряжения. По историческим причинам многие MOV были указаны неправильно, что позволяет частым выбросам также снижать пропускную способность.[12] В этом состоянии варистор не имеет видимых повреждений и внешне выглядит исправным (без катастрофического отказа), но он больше не обеспечивает защиты.[13] 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. Увеличение номинальной мощности увеличивает количество (определенный максимальный размер) переходных импульсов, которые он может выдержать, экспоненциально, а также совокупную 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%. Графики ожидаемой продолжительности жизни производителя относятся к текущий, серьезность и количество переходных процессов для прогнозирования отказов на основе общей энергии, рассеиваемой в течение срока службы детали.

В бытовой электронике, особенно сетевые фильтры размер используемого варистора MOV достаточно мал, что в конечном итоге ожидается отказ.[14] В других приложениях, таких как передача энергии, используются VDR различной конструкции в различных конфигурациях, рассчитанных на длительный срок службы.[15]

Варистор высокого напряжения

Уровень напряжения

MOV указаны в соответствии с диапазоном напряжения, в котором они могут работать без повреждений. параметры - номинальная энергия варистора в джоулях, рабочее напряжение, время отклика, максимальный ток и напряжение пробоя (ограничения). Рейтинг энергии часто определяется с использованием стандартизованных переходные процессы например, 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 меньшего размера с меньшей емкостью с емкостью ~ 1 пФ для защиты микроэлектроники, 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 стандартизировано. Заявление о субнаносекундном отклике MOV основано на собственном времени отклика материала, но оно будет замедлено другими факторами, такими как индуктивность выводов компонентов и метод монтажа.[16] Это время отклика также квалифицируется как незначительное 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.[17]

Приложения

Защищать телекоммуникации линии, устройства подавления переходных процессов, такие как угольные блоки толщиной 3 мил (IEEE C62.32), варисторы со сверхмалой емкостью и лавинные диоды используются. Для более высоких частот, например оборудования радиосвязи, газоразрядная трубка (GDT) могут быть использованы.[нужна цитата ] Типичный сетевой фильтр удлинитель построен с использованием MOV. В недорогих версиях может использоваться только один варистор, от горячего (активного, активного) до нейтрального. Лучший протектор содержит как минимум три варистора; по одному на каждой из трех пар проводников. В США протектор удлинителя должен иметь Underwriters Laboratories (UL) 1449, одобрение 3-го издания, поэтому катастрофический отказ MOV не создает опасности возгорания.[18][19]

Вилка в сборе со схемой защиты от перенапряжения

Опасности

Хотя 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 электросети могут привести к длительному перенапряжению. Примеры включают потерю нейтрального проводника или короткое замыкание в системе высокого напряжения. Приложение длительного перенапряжения к MOV может вызвать сильное рассеивание, что может привести к возгоранию MOV-устройства. В Национальная ассоциация противопожарной защиты (NFPA) задокументировало множество случаев катастрофических пожаров, которые были вызваны устройствами MOV в ограничителях перенапряжения, и выпустило бюллетени по этой проблеме.[20]

130-вольтовый, 150 Дж MOV, который подвергся катастрофическому отказу, по-видимому, в результате удара молнии, показав признаки тепла и дыма. Во время того же события перегорел быстродействующий предохранитель на 3 ампера непосредственно перед варистором.

Последовательно подключенный плавкий предохранитель - одно из решений катастрофического отказа MOV. Также доступны варисторы с внутренней тепловой защитой.

Следует отметить несколько проблем, касающихся поведения ограничители импульсных перенапряжений (TVSS), включающие MOV в условиях перенапряжения. В зависимости от уровня проводимого тока рассеиваемого тепла может быть недостаточно, чтобы вызвать отказ, 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, при этом нагрузка останется подключенной, но теперь без защиты от перенапряжения. У пользователя может не быть индикации отказа ограничителя перенапряжения. При правильных условиях перенапряжения и полного сопротивления линии возможно возгорание MOV.[21] основная причина многих пожаров[22] и основная причина беспокойства NFPA, приведшего к UL1449 в 1986 году и последующим пересмотрам в 1998 и 2009 годах. Правильно спроектированные устройства TVSS не должны иметь катастрофических отказов, приводящих к срабатыванию плавкого предохранителя или чего-то подобного, которое отключает только устройства MOV.

Ограничения

MOV внутри переходного напряжения ограничитель перенапряжения (TVSS) не обеспечивает полную защиту 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 Пусковой ток скачки напряжения (при пуске оборудования), от сверхток (созданный коротким замыканием), или от просадки напряжения (отключение ); он не ощущает и не влияет на такие события. Восприимчивость электронного оборудования к этим другим нарушениям электроснабжения определяется другими аспектами конструкции системы, внутри самого оборудования или извне с помощью таких средств, как ИБП, регулятор напряжения или сетевой фильтр со встроенной защитой от перенапряжения (которая обычно состоит из цепи измерения напряжения и реле для отключения входа переменного тока, когда напряжение достигает опасного порога).

Сравнение с другими подавителями переходных процессов

Еще один метод подавления скачков напряжения - это диод подавления переходных напряжений (ТВС). 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 напряжения[23] и обычно имеют более высокое «напряжение зажима», чтобы утечка не ухудшала 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.[24]

Другой тип подавителя переходных процессов - это газотрубный подавитель. Это разновидность разрядник который может использовать воздух или инертный газ смесь и часто небольшое количество радиоактивный материал, такой как Ni-63, чтобы обеспечить более постоянное напряжение пробоя и сократить время отклика. К сожалению, эти устройства могут иметь более высокие сломать напряжения и большее время отклика, чем варисторы. Однако они могут выдерживать значительно более высокие токи короткого замыкания и выдерживать множественные удары высокого напряжения (например, от молния ) без существенной деградации.

Многослойный варистор

Многослойный варистор (MLV) устройства обеспечивают электростатический разряд защита для электронные схемы от низкого до среднего переходные процессы энергии в чувствительном оборудовании, работающем при 0–120 вольт постоянного тока. У них есть пик текущий номинальные значения от 20 до 500 ампер и пиковые значения энергии от 0,05 до 2,5 джоулей.[нужна цитата ]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Bell Laboratories (1983). С. Миллман (ред.). История инженерии и науки в системе Bell, физика (1925–1980) (PDF). AT&T Bell Laboratories. п. 413. ISBN  0-932764-03-7.
  2. ^ Grondahl, L.O .; Гейгер, П. Х. (февраль 1927 г.). «Новый электронный выпрямитель». Журнал A.I.E.E. 46 (3): 357–366. Дои:10.1109 / JAIEE.1927.6534186.
  3. ^ а б Американский телефон и телеграф; К.Ф. Майерс, Л. Кросби (ред.); Принципы использования электроэнергии в телефонной и телеграфной работе, Нью-Йорк (ноябрь 1938 г.), стр.58, 257.
  4. ^ Automatic Electric Co., Бюллетень 519, Монофон Type 47 (Чикаго, 1953)
  5. ^ Американский национальный стандарт,Графические символы для электрических и электронных схем, ANSI Y32.2-1975 стр.27
  6. ^ AT&T Bell Laboratories, технический персонал, R.F. Рей (ред.) Инжиниринг и операции в системе Bell, 2-е издание, Мюррей Хилл (1983), стр. 467
  7. ^ Р.О. Грисдейл, Варисторы из карбида кремния, Bell Laboratories Record 19 (октябрь 1940 г.), стр. 46-51.
  8. ^ М. Мацуока, Jpn. J. Appl. Физ., 10, 736 (1971).
  9. ^ Левинсон Л., Филип Х. Р., Варисторы на основе оксида цинка - обзор, Бюллетень Американского керамического общества 65 (4), 639 (1986).
  10. ^ Введение в металлооксидные варисторы, www.powerguru.org
  11. ^ http://www.littelfuse.com/~/media/electronics_technical/application_notes/varistors/littelfuse_the_abcs_of_movs_application_note.pdf
  12. ^ https://www.nist.gov/pml/div684/upload/Lower_not_better.pdf
  13. ^ http://www.research.usf.edu/dpl/content/data/PDF/05B127.pdf
  14. ^ "Металлооксидный варистор (MOV) - Проекты и дизайн электронных схем и схемотехники".
  15. ^ https://www.gegridsolutions.com/app/DownloadFile.aspx?prod=surge_arresters&type=1&file=7
  16. ^ D. Månsson, R. Thottappillil, «Комментарии к« Линейным и нелинейным фильтрам, подавляющим импульсы СШП »», IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 47, нет. 3, стр. 671-672, август 2005 г.
  17. ^ «Подробное сравнение устройств подавления перенапряжения». Архивировано из оригинал на 2010-11-05.
  18. ^ «Обзор UL1449, 3-е издание - Защита от перенапряжения - Littelfuse».
  19. ^ УСАГов. "Страница подписки USA.Gov" (PDF). публикации.usa.gov. Получено 9 апреля 2018.
  20. ^ https://www.nfpa.org/-/media/Files/News-and-Research/Fire-statistics-and-reports/Electrical/RFDataAssessmentforElectricalSurgeProtectionDevices.ashx?la=en
  21. ^ «Металлооксидные варисторы | Блог по автоматическим выключателям - экспертная информация по технике безопасности и эксплуатации». Блог об автоматических выключателях. Получено 2013-01-14.
  22. ^ http://www.esdjournal.com/techpapr/Pharr/INVESTIGATING%20SURGE%20SUPPRESSOR%20FIRES.doc
  23. ^ Винн Л. Рош (2003). Библия оборудования Винна Л. Роша (6-е изд.). Que Publishing. п. 1052. ISBN  978-0-7897-2859-3.
  24. ^ Браун, Кеннет (март 2004 г.). «Деградация варистора на основе оксида металла». Журнал IAEI. Архивировано из оригинал на 2011-07-19. Получено 2011-03-30.

внешние ссылки