Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Варистор (от англ. variable resistor) — нелинейный полупроводниковый резистор, сопротивление которого резко падает при превышении заданного порогового напряжения. До порога ведёт себя как практически непроводящий элемент с сопротивлением до сотен мегаом; при превышении порога сопротивление снижается на много порядков, через варистор начинает протекать значительный ток, и напряжение на нём остаётся ограниченным близким к пороговому. Это позволяет применять варистор как параллельный ограничитель импульсных перенапряжений: он «откусывает» опасные пики напряжения, отводя ток на землю или в нейтраль, и предотвращает пробой защищаемой нагрузки.
Современные варисторы выполняются преимущественно по технологии оксидно-цинковой керамики (MOV — Metal Oxide Varistor) с присадками других металлов; их вольт-амперная характеристика симметричная, что позволяет использовать варистор в цепях постоянного и переменного тока без учёта полярности. Основные паспортные параметры — классификационное напряжение Vn (при опорном токе 1 мА), максимальные длительные рабочие напряжения VRMS и VDC, напряжение ограничения Vc при стандартном импульсном токе формы 8/20 мкс, максимальный пиковый импульсный ток IPK и поглощаемая энергия WTM при импульсе 10/1000 мкс. Деградация — постепенное снижение Vn при многократных импульсных воздействиях — является ключевым ресурсным ограничением варисторов.
Варистор представляет собой керамическое тело, спечённое из мелкодисперсного полупроводникового порошка — оксида цинка (ZnO) с присадками оксидов висмута, кобальта, сурьмы, марганца и других металлов. Образующиеся гранулы ZnO проводящи, а тонкие межгранулярные слои на их границах обладают барьерными свойствами с двойными потенциальными барьерами на границах зёрен.
При низком напряжении на электродах варистора барьеры между зёрнами высоки и через них почти не идёт ток: проводимость определяется лишь термоэмиссией и туннелированием и пренебрежимо мала. Когда внешнее напряжение, делящееся между десятками тысяч последовательных межзёренных переходов, доводит напряжение на каждом переходе до порогового значения (порядка 3 В на одну границу зёрен в оксидно-цинковой керамике), наступает лавинообразное снижение сопротивления барьеров. Через варистор начинает протекать значительный ток; падение напряжения на варисторе остаётся практически неизменным в широком диапазоне токов.
Варистор не «фиксирует» напряжение, а ограничивает его: при росте импульсного тока через него на много порядков напряжение на варисторе меняется лишь на десятки процентов. Это позволяет «срезать» пик импульсного перенапряжения и снизить остаточное напряжение на защищаемой нагрузке.
Конструктивно общее напряжение классификации варистора задаётся при изготовлении: его суммарная толщина равна произведению числа межзёренных барьеров на средний размер зерна, а порог отдельного барьера задаётся составом и температурой спекания (порядка 1100…1300 °C). Чем больше зёрен в толщине керамики, тем выше Vn; чем больше площадь — тем выше токопропускная способность.
ВАХ варистора в области нелинейного режима в логарифмических координатах близка к прямой и аппроксимируется степенной зависимостью:
Степенная аппроксимация ВАХ варистора:
I = K · Uα
где I — ток через варистор, А; U — напряжение на варисторе, В; K — материальная постоянная, зависящая от геометрии и состава; α — коэффициент нелинейности. Для оксидно-цинковых варисторов α типично составляет несколько десятков; для устаревших варисторов на основе карбида кремния — единицы.
Иначе говоря, коэффициент нелинейности равен наклону ВАХ в логарифмических координатах: чем α больше, тем меньше меняется напряжение при изменении тока на порядки. У качественного ZnO-варистора при возрастании тока с 1 мА до нескольких килоампер напряжение увеличивается лишь на десятки процентов — это и определяет ограничительные свойства.
Структура двойных межзёренных барьеров делает ВАХ симметричной относительно начала координат. Это принципиальное отличие варистора от диодных ограничителей (TVS-диодов): варистор работает в любую полярность приложенного напряжения без дополнительной выпрямительной схемы, что делает его удобным для защиты цепей переменного тока.
В системах защиты от импульсных перенапряжений нелинейные элементы часто комбинируют: разрядник + варистор + TVS — для разделения ролей по уровню энергии и скорости реакции.
Производство ZnO-варистора начинается с подготовки шихты — порошка оксида цинка с добавками оксидов металлов в долях процентов. Шихта прессуется в нужную форму (диск, прямоугольник, многослойный чип), затем спекается при высоких температурах в контролируемой атмосфере. На две противолежащие поверхности наносятся металлические электроды (обычно методом напыления или впекания серебряной пасты), к которым припаиваются выводы. Сборка покрывается изоляционным эпоксидным компаундом, маркируется и проверяется по основным параметрам.
Паспортные параметры варистора стандартизованы для целей выбора и сравнения моделей.
Параметры VRMS, VDC, Vc, IPK, WTM и связанные значения зависят от диаметра/типоразмера варистора. При том же Vn варистор большего диаметра имеет ту же ВАХ в области ограничения, но допускает больший импульсный ток и большую поглощаемую энергию.
Для нормирования и сравнения варисторов и устройств защиты от перенапряжений приняты стандартизованные формы испытательных импульсов. Каждая форма обозначается двумя числами в микросекундах: время фронта (от 10 до 90 % амплитуды) / время спада до полуамплитудного значения.
Эти формы импульсов нормированы в серии стандартов по защите от перенапряжений (ГОСТ IEC 61643-11 — гармонизирован с международным стандартом МЭК 61643-11) и в стандартах по испытаниям на устойчивость к импульсным помехам (МЭК 61000-4-5). При сравнении варисторов параметры разных производителей сопоставимы при одинаковой форме импульса и одинаковом значении пикового тока.
В момент срабатывания варистор поглощает энергию импульса: ток, проходящий через варистор под напряжением, близким к Vc, рассеивается в керамике в виде тепла. Чем больше площадь и масса керамики, тем больше энергия импульса, которую варистор способен принять без разрушения.
Энергия, поглощаемая варистором за импульс:
W = ∫ u(t) · i(t) dt
где u(t) и i(t) — мгновенные значения напряжения и тока на варисторе в течение импульса. При работе в режиме ограничения напряжение u(t) меняется слабо и приближённо равно Vc; тогда:
W ≈ Vc · ∫ i(t) dt = Vc · Q
где Q — заряд, прошедший через варистор за импульс, Кл.
Поглощаемая энергия — критерий применимости варистора в конкретной задаче: расчётная энергия импульса в линии (заданной формы и амплитуды) должна быть меньше WTM, паспортного для выбранной модели. С учётом старения и многократных импульсов берётся запас.
Для стандартного импульса 8/20 мкс при работе варистора в режиме ограничения существует ориентировочная связь между амплитудой импульса и поглощаемой энергией: энергия пропорциональна пиковому току и Vc. Поэтому при наличии паспортных WTM (импульс 10/1000 мкс) и IPK (импульс 8/20 мкс) проверка применимости варистора в реальных условиях ведётся отдельно по обоим параметрам — пиковому току и поглощаемой энергии — на формах, соответствующих ожидаемым воздействиям в защищаемой цепи.
Каждый импульс, проходящий через варистор, оставляет необратимые изменения в межзёренных барьерах. С ростом числа и энергии перенесённых импульсов классификационное напряжение Vn постепенно снижается, ток утечки при рабочем напряжении растёт. Это явление называется деградацией и отличает варистор от большинства пассивных компонентов, которые либо работают без накопления повреждений, либо отказывают катастрофически без предварительного «накопления».
Если деградировавший варистор включён в цепь с постоянно приложенным сетевым напряжением, ток утечки растёт, керамика разогревается, при разогреве сопротивление дополнительно падает — формируется тепловая обратная связь. Без отключения такой варистор может загореться или разрушиться, разлетающимися осколками повредив соседнее оборудование.
В сетевых УЗИП используется защита от теплового пробоя — последовательный термоплавкий предохранитель (термосбрасыватель), отключающий варистор при превышении предельной температуры. Многие современные модули УЗИП имеют также механический индикатор состояния, сигнализирующий о замене модуля.
Основное применение варистора — параллельный ограничитель импульсных перенапряжений на входе защищаемой цепи. Варистор подключают между фазой и нейтралью, между фазой и землёй, между сигнальной шиной и землёй — в зависимости от конкретной схемы защиты.
На входе блоков питания варистор устанавливается между фазой и нейтралью (а в моделях с трёхпроводным подключением — также между фазой и землёй и между нейтралью и землёй). Назначение — ограничить амплитуду коммутационных и грозовых импульсов до уровня, который безопасен для конденсаторов входного фильтра и силовых ключей. Часто варистор работает в паре с предохранителем: при глубокой деградации варистор замыкается, ток в цепи резко возрастает, предохранитель срабатывает и отключает блок.
В распределительных щитах устанавливают модульные УЗИП на основе варисторов и/или разрядников. По характеру испытательного импульса УЗИП делятся на классы.
Многослойные чип-варисторы устанавливают на платах для защиты входов микросхем от электростатических разрядов и наведённых импульсов. Параметры подбираются по рабочему напряжению сигнальной цепи и по требованиям к остаточному напряжению; для высокоскоростных линий важна низкая собственная ёмкость варистора.
Варистор параллельно индуктивной нагрузке (катушке контактора, реле, обмотке двигателя) ограничивает напряжение самоиндукции, возникающее при отключении нагрузки. Это снижает износ контактов коммутирующего аппарата и защищает соседние цепи от наводок.
Базовая последовательность подбора варистора для типовой задачи защиты от перенапряжений в сетевой цепи.
Включение нескольких варисторов параллельно для увеличения токопропускной способности возможно только при подобранных классификационных напряжениях Vn — иначе варистор с наименьшим Vn возьмёт на себя основную долю тока и быстро деградирует. Последовательное включение возможно, но требует выравнивающих резисторов для равномерного распределения напряжения и применяется редко.
Варистор — нелинейный полупроводниковый резистор. Его сопротивление резко падает при превышении классификационного напряжения Vn. Пока напряжение ниже Vn, варистор практически не проводит. При превышении начинают преодолеваться двойные потенциальные барьеры на границах зёрен ZnO, ток через варистор резко возрастает, а напряжение на нём остаётся ограниченным близким к Vn. Это позволяет «срезать» пик импульсного перенапряжения и защитить нагрузку, не отключая её от сети.
Большинство современных варисторов — оксидно-цинковые (MOV, Metal Oxide Varistor). Активный материал — спечённая керамика на основе оксида цинка ZnO с присадками оксидов висмута, кобальта, сурьмы, марганца и других металлов в долях процентов. Спекание ведётся при высоких температурах в контролируемой атмосфере; на две противолежащие поверхности наносятся металлические электроды, к которым припаиваются проволочные выводы. Сборка покрывается изоляционным эпоксидным компаундом. В устаревших исполнениях применялся карбид кремния SiC, который имеет существенно меньший коэффициент нелинейности, чем ZnO.
Это напряжение на варисторе при опорном постоянном токе через него 1 мА. Параметр стандартизирован и используется как основная идентификационная характеристика модели. Допуск на Vn обычно составляет ±10 %. По значению Vn выбирают варистор для конкретного напряжения сети: максимальное длительное рабочее напряжение VRMS у разных серий составляет порядка 0,6…0,7 от Vn, что задаёт запас по началу нелинейного режима.
Это формы стандартизованных испытательных импульсов тока. Первое число — время фронта импульса (от 10 % до 90 % амплитуды), второе — время спада до 50 % амплитуды. Импульс 8/20 мкс имитирует короткие индуцированные грозовые и переключательные перенапряжения; по нему определяют пиковый ток IPK и напряжение ограничения Vc. Импульс 10/1000 мкс — длинный, характеризует энергетическую способность варистора и используется для определения максимальной поглощаемой энергии WTM. Импульс 10/350 мкс имитирует прямой удар молнии и применяется для УЗИП класса I.
Это максимальное напряжение, до которого варистор «отжимает» импульс при пропуске через него номинального испытательного тока формы 8/20 мкс. По Vc судят об уровне защиты, обеспечиваемой варистором: чем Vc ниже, тем меньшее остаточное напряжение прикладывается к защищаемой нагрузке. Сравнивать Vc разных моделей корректно только при одинаковом значении испытательного тока.
Да. Каждый импульс, проходящий через варистор, оставляет необратимые изменения в межзёренных барьерах. Классификационное напряжение Vn постепенно снижается, ток утечки растёт. Общепринятый критерий окончания ресурса — смещение Vn более чем на 10 %. В предельном случае возможен тепловой пробой: ток утечки разогревает керамику, сопротивление падает, нагрев усиливается, и варистор может загореться. В сетевых УЗИП для предотвращения этого предусмотрен последовательный термоплавкий предохранитель.
TVS-диод — полупроводниковый прибор с p-n переходом. Он работает быстрее варистора (время реакции — пикосекунды против наносекунд у варистора) и обеспечивает более точное и низкое напряжение ограничения, но имеет существенно меньшую токопропускную способность при тех же размерах и стоит дороже. Варистор имеет симметричную ВАХ (работает в любую полярность), большую способность поглощать энергию импульса, но подвержен деградации. В защитных схемах часто применяют комбинацию: варистор как «грубый» поглотитель основной энергии импульса, TVS — как «тонкий» ограничитель остаточного напряжения для чувствительной электроники.
Газоразрядник (GDT) — баллон с инертным газом и электродами. После пробоя газа сопротивление падает до милиом, что даёт максимальную токопропускную способность среди защитных элементов (вплоть до десятков килоампер по импульсу 10/350 мкс). Минусы: большая задержка зажигания, относительно высокое напряжение пробоя, в цепях постоянного тока высокого напряжения может не гасить дугу без последовательных элементов. Варистор реагирует быстрее разрядника, имеет меньшую токопропускную способность, но обеспечивает более низкое остаточное напряжение и непрерывность работы цепи. В составных УЗИП класса I+II часто соединяют разрядник и варистор последовательно или через схему координации.
Максимальное длительное рабочее напряжение VRMS варистора должно быть выше максимального действующего напряжения сети с учётом отклонений и временных перенапряжений. Типовой запас — 10…25 % от номинала. Для сети 230 В переменного тока в Российской Федерации применяют варисторы с VRMS 250…275 В (что соответствует Vn около 390…430 В). Дальнейшее уточнение типоразмера — по требуемой токопропускной способности IPK и поглощаемой энергии WTM в зависимости от категории помещения и места установки.
Можно, но с осторожностью. У параллельно соединённых варисторов с разным фактическим Vn (в пределах допуска ±10 %) основная доля тока пойдёт через варистор с наименьшим Vn, и он деградирует первым. Для увеличения токопропускной способности отбирают экземпляры с близкими Vn из одной партии. Последовательное соединение возможно для увеличения рабочего напряжения, но требует выравнивающих резисторов для равномерного распределения напряжения и применяется редко. На практике предпочитают подбор варистора большего типоразмера.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.