Варистор

Варистор (от англ. vary — изменяться и resistor — резистор) — это полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого нелинейно зависит от приложенного напряжения. При малых напряжениях варистор обладает высоким сопротивлением и практически не проводит ток, а при превышении определённого порога (напряжения пробоя) его сопротивление резко падает, и он начинает пропускать значительный ток. Это свойство используется для защиты электрических цепей от перенапряжений, импульсных помех и скачков напряжения.

История

Явление нелинейной зависимости сопротивления от напряжения в полупроводниковых материалах было открыто в начале XX века. Первые практические устройства на основе карбида кремния (SiC) были разработаны в 1930-х годах. Однако широкое применение варисторы получили после 1970-х годов, когда началось массовое производство оксидно-цинковых варисторов (ZnO). Эти элементы, благодаря более высокой энергоёмкости и стабильности, вытеснили карбид-кремниевые аналоги и стали основой современной схемотехники защиты.

Устройство и принцип действия

Варистор представляет собой керамический элемент, изготовленный методом спекания порошка оксида цинка (ZnO) с добавками оксидов висмута, кобальта, марганца и других металлов. В процессе спекания образуется поликристаллическая структура с большим количеством границ между зёрнами. Каждая такая граница обладает свойствами полупроводникового диода Шоттки, а их совокупность образует множество параллельно-последовательных p-n-переходов.

При малом напряжении на варисторе электроны не могут преодолеть потенциальные барьеры на границах зёрен, и ток через элемент ничтожно мал. При повышении напряжения до определённого уровня (напряжения пробоя) происходит лавинный пробой p-n-переходов, сопротивление резко уменьшается, и ток начинает расти экспоненциально. После снятия перенапряжения варистор возвращается в исходное состояние с высоким сопротивлением.

Классификация

Варисторы классифицируются по нескольким признакам:

По материалу

• Карбид-кремниевые (SiC) — исторически первые, обладают меньшей энергоёмкостью и нелинейностью.
• Оксидно-цинковые (ZnO) — наиболее распространённые, обеспечивают высокую нелинейность (коэффициент нелинейности α до 30–50) и большую рассеиваемую энергию.

По конструкции

• Дисковые — плоские элементы с металлизированными контактами, часто с аксиальными выводами. Наиболее распространённый тип.
• Чип-варисторы (SMD) — миниатюрные элементы для поверхностного монтажа, применяются в компактной электронике.
• Модульные — сборки из нескольких варисторов, часто с индикацией срабатывания, используются в промышленных устройствах защиты.

По напряжению

• Низковольтные — до 100 В.
• Средневольтные — от 100 В до 1 кВ.
• Высоковольтные — свыше 1 кВ (до десятков киловольт).

Основные параметры

• Классификационное напряжение (U1mA) — напряжение, при котором через варистор протекает ток 1 мА. Это основной параметр, указываемый в маркировке.
• Максимально допустимое рабочее напряжение (Uраб) — напряжение, при котором варистор может работать длительное время без деградации.
• Максимальное импульсное напряжение (Uмакс) — пиковое напряжение, которое варистор способен выдержать без разрушения при заданном импульсе тока.
• Энергия рассеивания (W) — максимальная энергия, которую варистор может поглотить за один импульс без выхода из строя (измеряется в джоулях).
• Время срабатывания — время, за которое сопротивление варистора падает до низкого значения после подачи импульса перенапряжения. Для оксидно-цинковых варисторов составляет единицы наносекунд.
• Ёмкость — паразитная ёмкость варистора, которая может влиять на работу высокочастотных цепей. Для дисковых варисторов ёмкость составляет от десятков пикофарад до единиц нанофарад.

Применение

Варисторы используются в различных областях электротехники и электроники для защиты от перенапряжений:

• Защита источников питания — установка на входе блоков питания, импульсных преобразователей и стабилизаторов для подавления сетевых помех.
• Защита бытовой техники — в телевизорах, компьютерах, холодильниках, стиральных машинах для предотвращения выхода из строя при грозовых разрядах или коммутационных скачках.
• Защита линий связи — в телефонных и компьютерных сетях, в системах видеонаблюдения для ограничения перенапряжений, наводимых на кабели.
• Защита полупроводниковых приборов — параллельно силовым транзисторам, тиристорам, диодам для ограничения выбросов напряжения при коммутации индуктивных нагрузок.
• Грозозащита — в устройствах защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) для зданий и промышленных объектов.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Высокое быстродействие (наносекунды).
• Большой ресурс работы (тысячи импульсов при номинальных нагрузках).
• Отсутствие инерционности — способность срабатывать на короткие импульсы.
• Простота включения (параллельно защищаемой цепи).
• Низкая стоимость.

Недостатки

• Ограниченная энергоёмкость — при превышении допустимой энергии варистор разрушается.
• Деградация параметров при многократных срабатываниях — сопротивление постепенно уменьшается, что может привести к короткому замыканию.
• Зависимость ёмкости от напряжения — на высоких частотах паразитная ёмкость может искажать сигнал.
• Невозможность точной настройки порога срабатывания — напряжение пробоя имеет разброс ±10–20% от номинала.

Критика и альтернативы

Основная критика варисторов связана с их деградацией и неспособностью выдерживать многократные мощные импульсы. В ответ на это были разработаны альтернативные устройства защиты:

• Газоразрядники — выдерживают большие импульсные токи, но имеют большее время срабатывания и более высокое остаточное напряжение.
• TVS-диоды (супрессоры) — обеспечивают более точное ограничение напряжения и меньшую деградацию, но имеют меньшую энергоёмкость.
• Лавинные диоды — применяются в низковольтных цепях, где требуется высокая точность.

На практике часто используют комбинированную защиту: варистор на входе (для поглощения основной энергии) и TVS-диод после него (для точного ограничения).

Интересные факты

• Варисторы на основе оксида цинка способны поглощать энергию до нескольких килоджоулей, что позволяет использовать их в системах молниезащиты.
• В некоторых старых телевизорах варисторы устанавливались на анодный вывод кинескопа для защиты от пробоя.
• При разрушении варистора в результате превышения допустимой энергии он может воспламениться или взорваться, поэтому в мощных устройствах его часто защищают плавким предохранителем.

Источники

• ГОСТ 28895-90 «Резисторы. Варисторы. Общие технические условия».
• Белоусов А. И., Широков Ю. А. «Полупроводниковые приборы и их применение». — М.: Энергия, 1980.
• Хоровиц П., Хилл У. «Искусство схемотехники». — М.: Мир, 1993.
• Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю. В. Корицкого. — Л.: Энергоатомиздат, 1988.