3.7 Варисторы

Слово «варистор» (Varistor) является аббревиатурой, состоящей из комбинации слов Variable и resistor, т. е. означает электронный компонент, электрическое сопротивление (проводимость) которого нелинейно зависит от приложенного напряжения. Это создает некоторое заблуждение, так как сопротивление варистора не может быть изменено вручную в отличие потенциометра или реостата, у которых сопротивление изменяется вручную между минимальным и максимальным значениями. Варистор меняет значение своего сопротивления автоматически с изменением приложенного к нему напряжения и потому известен также как зависимый от напряжения резистор (VDR — Voltage Dependent Resistor). Он имеет следующий символ, используемый при обозначении в схемах:

Варисторы являются симметричными, нелинейными резистивными элементами, чье сопротивление резко уменьшается при превышении определенного напряжения.

Их вольт-амперная характеристика существенно отличается от постоянного резистора (рис. 3.27).

Рис. 3.27

Как правило, варисторы изготовлены из полупроводниковых материалов — карбида кремния SiC или окиси цинка ZnO с дополнительными окисями и связующего вещества, например эпоксидной смолы.

Основные отличия между варистором SiC и варистором на основе окиси цинка ZnO заключаются в том, что последний обладает меньшим током утечки в обычных условиях функционирования и его скорость блокирования импульсов повышенного напряжения значительно выше.

MOV-ВАРИСТОРЫ

Когда всплеск высокого напряжения появляется на входе электронной схемы, последствия могут быть катастрофическими, поэтому варистор играет важную роль в ее защите, а особенно для чувствительных компонентов.

Наиболее распространенным типом варистора является Metal Oxide Varistor (MOV). Материал такого варистора состоит в основном из частиц окиси цинка ZnO, спрессованных в виде керамической массы (рис. 3.28). Смесь содержит примерно 90% частиц окиси цинка и около 10 % окисей других металлов — кобальта, висмута и марганца.

Рис. 3.28

Варистор состоит из большого количества таких проводящих частиц с диаметром от 10 до 100 микрон, разделенных между собой пограничными частицами с высоким сопротивлением, что подобно наличию многих микроваристоров, соединенных последовательно или параллельно. Структура варистора (рис. 3.28) напоминает большое количество p-n-переходов с полупроводниковыми характеристиками, похожих на p-n-переходы диодов. Аналогично лавинному пробою диодов при повышенном напряжении сопротивление пограничных частиц резко снижается, и они становятся токопроводящими. Последовательное и параллельное соединение индивидуальных микроваристоров объясняет способность варистора выдерживать значительно более высокие ток и энергию при импульсах повышенного напряжения по сравнению с полупроводниками.

В то время как мощность в полупроводниках полностью рассеивается на малой площади одного p-n-перехода, в варисторе она распределяется на все микроваристоры, т. е. равномерно по всему объему компонента. Это означает, что электрические свойства варистора контролируются его физическими размерами, которые обеспечивают способность абсорбировать большую энергию и таким образом выдерживать исключительно высокие импульсы тока.

Скоротечные импульсы повышенного напряжения могут возникать как в самих схемах, независимо от того, функционируют ли они от источников питания переменного или постоянного тока, так и от воздействия ряда внешних факторов (линейные помехи, сильное электромагнитное поле, удары молнии и т. д.). Наиболее распространенными внутренними источниками всплесков напряжения являются переключения трансформаторов, двигателей или иных индуктивных нагрузок (рис. 3.29).

Рис. 3.29

При нормальном функционировании схемы варистор, установленный на ее входе, обладает высоким сопротивлением и не оказывает никакого влияния. Однако, когда напряжение на варисторе (любой полярности) превышает его номинальное значение, сопротивление резко уменьшается с увеличением напряжения, и с этого момента небольшое изменение напряжения приводит к значительному увеличению тока. Типовая кривая зависимости тока от напряжения стандартного варистора приведена на рис. 3.30.

Рис. 3.30

Как видно из данной характеристики, варистор действует в двух направлениях. Когда он не является токопроводящим, кривая указывает, что ток, текущий через варистор, остается постоянным с низким значением в несколько миллиампер тока утечки (leakage current). Это обусловлено его высоким сопротивлением (несколько мегом), обеспечивающим открытую цепь, и оно остается постоянным до тех пор, пока напряжение на варисторе не достигнет номинального значения. Это номинальное напряжение на варисторе, близкое к блокировочному напряжению (clamping voltage), измеряется при определенном токе величиной 1 мА.

При этом напряжении сопротивление варистора резко снижается до минимального и он начинает изменять свое состояние от изолирующего к токопроводящему. Малый ток утечки, протекающий через варистор, внезапно возрастает, но напряжение на нем ограничено уровнем, едва превышающим номинальное напряжение варистора. Подключенные параллельно к защищаемой схеме (электронному компоненту) варисторы формируют шунтирование с низким сопротивлением при увеличении напряжения, тем самым предотвращая дальнейший рост волны перенапряжения. Другими словами, варистор самостоятельно регулирует кратковременный импульс напряжения, позволяя большему току протекать через него при чересчур крутой нелинейной кривой «ток — напряжение». Характерным свойством MOV-варистора является экспонентное изменение тока в узких пределах приложенного напряжения. Когда MOV-варистор функционирует в активной зоне при возникновении всплеска напряжения, он отводит импульс тока к заземлению и абсорбируют энергию, преобразованную в теплоту, которую он должен рассеять.

Варистор обеспечивает защиту от повышенных напряжений методом блокировки напряжения на входе схемы и при блокировке обоих (положительных и отрицательных) всплесков напряжения, они ведут себя подобно двунаправленным TVS-диодам. Они выдерживают высокие уровни тока (до сотен ампер) и способны абсорбировать большой уровень энергии при небольших размерах и низкой цене, но обладают сравнительно высоким током утечки при значениях напряжения, приближающихся к блокировочному напряжению VC.

Максимальный импульс тока, приемлемый для варистора, зависит от ширины импульса и количества его повторений. Относительно импульсов можно предположить, что их длительность, как правило, находится в пределах от 20 до 50 мкс. Если же допустимый номинальный пик импульса низок, то варистор может перегреться и получить повреждение. Чтобы варистор мог функционировать без неисправностей и существенного снижения его основных параметров, он должен быть соответствующего размера и быть в состоянии быстро рассеять энергию внезапного импульса и безопасно возвратиться к прежнему рабочему состоянию с высоким сопротивлением.

MOV-варисторы являются наиболее распространенными компонентами для защиты от повышенных напряжений и возможны для использования в широком диапазоне напряжений и токов. Они крайне эффективны в абсорбции кратковременных всплесков напряжения и обладают высокой способностью поглощения энергии. Варисторы существуют с напряжениями в диапазоне от 10 В до более чем 1000 В постоянного и переменного тока. При выборе варистора максимальное значение действующего напряжения должно быть чуть выше наибольшего значения напряжения питания. Рекомендуется выбирать напряжение варистора на 10 % выше, чем рабочее напряжение защищаемой им схемы.

Серьезными недостатками MOV-варисторов являются их «старение» — ухудшение параметров и свойств со временем, особенно после повторяющихся мощных импульсов тока в результате резких и сильных всплесков напряжения, а также от многократных более слабых импульсов. Это приводит к увеличению тока утечки варистора, что в свою очередь способствует его нагреву, а функционирование варистора зависит от температуры, при повышении которой существенно снижается его способность поглощать и рассеивать энергию.

Примеры конкретного использования варисторов для защиты электронных схем и их компонентов приведены в рис. 3.31.

Рис. 3.31

MOV-варисторы чаще используются для защиты схем переменного тока. При необходимости их использования в применениях постоянного тока требуется обращать особое внимание на их правильное подключение.

Так, например, если всплески напряжения по отношению к заземлению существуют на всех трех фазах (common mode tranzients), то только варистор, подключенный между фазой и заземлением, будет способен абсорбировать энергию. Защита при подключении варисторов между фазами не будет эффективной (рис. 3.32).

Рис. 3.32

Рассмотрим основные параметры MOV-варисторов.

  • Maximum Continuous Voltage — максимальное значение напряжения, которое может быть непрерывно приложено к выводам варистора без каких-либо повреждений.
  • Varistor Voltage (Voltage at 1 mA) — напряжение на варисторе при проходящем через него токе ±1 мА. Данное измерение должно быть произведено в наикратчайшее время, чтобы избежать влияния от нагрева варистора. Это номинальное напряжение варистора является важной точкой в его вольт-амперной характеристике и оно используется для легкого сравнения различных моделей и типов.
  • Maximum Clamping Voltage — Максимальное напряжение на варисторе при воздействии импульса 8/20 мкс в соответствии со стандартом IEC 60060-2 и токе ±1 A.
  • Maximum Non Repetitive Surge Current — максимальный пиковый ток, допустимый для варистора, зависит от формы импульса, периодичности и количества импульсов. Для того чтобы характеризовать способность варистора выдержать импульсы тока, обычно предоставляется возможность гарантировать Maximum Non Repetitive Surge Current (максимальный неповторяющийся импульс тока). Это предполагается для одного импульса тока с формой 8/20 мкс и амплитудой, при которой номинальное напряжение варистора, измеренное при токе в 1 мА, не изменится более чем максимум ±10 %.
  • Maximum Energy Rating — в течение одного импульса тока определенная энергия будет рассеяна варистором. Количество рассеиваемой энергии является функцией от следующих факторов:
    • амплитуды тока;
    • напряжения на варисторе при пике тока;
    • времени нарастания импульса;
    • времени угасания импульса; определяется периодом времени между 100 и 50 % от пика тока, в течение которого рассеивается большая часть энергии — нелинейные характеристики варистора.
  • Response Time — время реакции варистора находится в пикосекундном диапазоне, но в случае с варисторами, имеющими выводы, индуктивность последних вызывает замедление реакции до нескольких наносекунд. По этой причине необходимо предпринимать меры по установке варисторов методом, обеспечивающим наименьшую индуктивность, т. е. по возможности с наиболее короткими выводами.
  • Capacitance — спецификация варистора указывает типовое значение емкости при частоте 1 кГц. MOV-варистор подобен конденсатору с диэлектриком ZnO и его емкость увеличивается пропорционально площади диска (и, соответственно, способности выдерживать импульсы тока), и обратно пропорциональна его толщине. Этот параметр уменьшается с увеличением уровня защиты, определяемого номинальным напряжением варистора. Типичный MOV-варистор имеет емкость в пределах от 100 до 1000 пФ.

MOV-варисторы могут быть соединены последовательно для более точного приближения к требуемому номинальному значению напряжения или для подбора более высокого напряжения по сравнению с возможным стандартным варистором. Для этой цели выбранные варисторы должны быть из той же самой серии (с тем же диаметром). Максимально допустимое рабочее напряжение при последовательном соединении определяется добавлением максимальных AC и DC-напряжений варисторов.

MOV-варисторы могут быть также соединены параллельно для достижения их способности выдержать более высокие токи нагрузки или поглотить и рассеять более значительную энергию, чем те же параметры у одиночного варистора. Эффективность варистора в защите электронных схем зависит от надлежащего выбора его основных параметров. Правильный выбор варистора включает в себя три следующих решения:

  • выбор варистора, подходящего для рабочего напряжения схемы, при этом номинальное напряжение варистора должно быть несколько выше (не менее +10 %) максимального рабочего напряжения схемы;
  • определение варистора, наиболее соответствующего требованиям намеченного применения в части:
    • максимального тока импульса;
    • способности поглощения энергии;
    • средней рассеиваемой мощности;
  • определение максимально возможного всплеска напряжения на варисторе в случае перенапряжения и его сравнение с электрической прочностью компонента или схемы, защита которых должна быть обеспечена.

Для эффективной защиты варистора при выборе его напряжения должно соблюдаться следующее соотношение (см. упомянутую выше терминологию):

Maximum Continuous Voltage > Maximum Clamping Voltage > Maximum Continuous Operating Voltage защищаемой схемы (изделия)

Если AC применения и изделия с высоким DC-напряжением могут быть эффективнее защищены MOV-варисторами, выдерживающими более высокие значения энергии, то многие электронные схемы с низким напряжением наилучшим образом защищаются с помощью TVS-диодов.

MOV-варисторы выпускаются в различных корпусах (рис. 3.33).

  • Наиболее распространенный тип MOV-варистора — в виде диска со стандартными диаметрами 5, 7, 10, 14 и 20 мм.
  • Варисторы с радиальными выводами.
  • Блок-варисторы используются в промышленных применениях с требованиями повышенной мощности и поглощаемой энергии до 10 тыс. джоулей, а также токов до 70 кА. Они, как правило, электрически и механически соединяются с помощью винтовых зажимов.
  • Варисторы с осевыми выводами.

Рис. 3.33

МНОГОСЛОЙНЫЕ ВАРИСТОРЫ
MLV Varistors

Для защиты от электростатических разрядов (ESD) популярностью пользуются многослойные варисторы с технологией поверхностного монтажа. Их конструкция напоминает структуру конденсаторов MLCC (Multilayer Ceramic Capacitors) и она изображена на рис. 3.34.

Рис. 3.34

Такие варисторы обладают следующими преимуществами:

  • способностью выдерживать сравнительно высокие импульсы тока и их значительную энергию;
  • отсутствием снижения их способности абсорбировать импульсы тока и значения допустимой мощности при повышенных температурах (как правило, до +125 °C), в отличие от TVS-диодов, для которых зависимость от окружающей температуры должна непременно приниматься в расчет;
  • отсутствием полярности, что означает защиту в обоих направлениях;
  • отсутствием выводов и, соответственно, отсутствием паразитной индуктивности по сравнению с MOV-варисторами в виде диска, в результате чего сокращается время реакции до значений менее 1 нс;
  • низкой ценой и компактной конструкцией в корпусах с небольшими размерами для поверхностного монтажа.

Среди недостатков многослойных варисторов следует отметить следующие качества:

  • в связи со сравнительно высоким сопротивлением их блокировочное напряжение слишком велико для защиты полупроводниковых схем (компонентов), имеющих низкое рабочее напряжение;
  • большие токи утечки;
  • ухудшение свойств после нескольких разрядов ESD.

При выборе MLV-варистора следующие рекомендации должны быть приняты во внимание.

Напряжение блокировки (clamping voltage) должно быть ниже максимального напряжения, которое защищаемая схема может выдержать без повреждений. Как правило, варистор с низким напряжением обладает лучшим эффектом блокировки от разрядов ESD. Напряжение блокировки определяется пиком напряжения на варисторе при пике тока 1 А для формы импульса 8/20 мкс (рис. 3.35).

Не менее важным параметром является ток утечки варистора, что особенно актуально для изделий с встроенными в них аккумуляторами. Однако обычно варистор с более низким напряжением и лучшей блокировкой создает более высокие токи утечки.

Рабочее напряжение варистора должно быть выше номинального рабочего напряжения схемы и с током утечки, не превышающим 10 мкА.

Крайне важно знать характеристики защищаемой схемы с целью правильного выбора варистора с емкостью, не искажающей высокочастотные сигнальные линии, например такие как USB ( USB 2.0 с быстродействием 480 Mbps и USB 3.0—4.8 Gbps).

Рис. 3.35

Многослойные варисторы выдерживают пики импульсов тока от 20 до 500 ампер и используются для защиты чувствительного к ESD-разрядам оборудования с напряжением до 120 В AC.

Они выпускаются в широком диапазоне чип-размеров (от 0201 до 2220) по аналогии с многослойными конденсаторами MLCC. Они нашли распространение и в автомобильных применениях, связанных с требованиями повышенных температур и надежности.

При максимальном размере 2220 MLV-варисторы способны выдерживать энергию до 25 Дж.

ПОЛИМЕРНЫЕ ВАРИСТОРЫ
Polymer Varistors

Полимерные варисторы (Polymer Varistors) используются в основном для защиты от электростатических разрядов ESD и поэтому нередко называются PESD. Их полимерный материал обеспечивает, в отличие от MOV-варисторов с материалом ZnO, очень низкую емкость варистора (0.1 пФ и ниже). В связи с этим параметром полимерные варисторы являются незаменимыми для эффективной защиты высокочастотных линий передачи данных и их интерфейса, и поэтому широко применяются в системах телекоммуникации. Однако эти варисторы с низкой емкостью не способны выдерживать высокие импульсы тока и, соответственно, энергии из-за их компактного размера.

Среди недостатков таких варисторов следует отметить снижение их основных свойств и параметров после многократных стрессов ESD.

Полимерные варисторы, как и MLV, выпускаются в корпусах чипов малых размеров (начиная с 0402).