Варистор: свойства и применение¶

Варистор — полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого нелинейно зависит от приложенного напряжения: при малых напряжениях сопротивление велико, а при превышении некоторого порогового значения резко падает. Название происходит от английского сочетания variable resistor («переменный резистор»). Основное назначение варистора — защита электрических цепей и электронного оборудования от импульсных перенапряжений и коммутационных помех.

¶Материал и устройство

Рабочий элемент варистора изготавливают методом спекания (керамической технологии) из оксида цинка ZnO с добавками оксидов других металлов — висмута, кобальта, марганца, сурьмы. Полученная поликристаллическая керамика состоит из проводящих зёрен оксида цинка, разделённых тонкими межзёренными прослойками с высоким сопротивлением. Именно границы зёрен образуют множество микроскопических потенциальных барьеров, которые и определяют нелинейность вольт-амперной характеристики.

Конструктивно варистор чаще всего представляет собой диск или цилиндр с металлизированными контактными поверхностями и выводами, покрытый защитной эмалью. Реже выпускаются подстроечные и многовыводные варианты.

¶Электрические свойства

Ключевая характеристика варистора — вольт-амперная характеристика (ВАХ), которая в рабочем диапазоне хорошо описывается степенной зависимостью:

I = k·U^α,

где α — коэффициент нелинейности. У современных оксидно-цинковых варисторов α достигает 30–50, тогда как у первых селеновых и карбидокремниевых элементов он не превышал 3–7. Чем выше α, тем резче прибор переходит из закрытого состояния в проводящее.

Основные параметры:

• Классификационное напряжение — напряжение при заданном токе (обычно 1 мА); стандартный ряд значений от нескольких вольт до сотен и тысяч вольт.
• Максимально допустимое напряжение — длительно выдерживаемое рабочее напряжение переменного или постоянного тока.
• Максимальная поглощаемая энергия — измеряется в джоулях и определяет способность прибора рассеять импульс без разрушения.
• Ток утечки — малый ток в закрытом состоянии (обычно единицы — десятки микроампер).
• Время срабатывания — единицы — десятки наносекунд, что делает варистор одним из самых быстродействующих защитных элементов.

¶Применение

Главная область использования — ограничение импульсных перенапряжений. Типовые схемы включения:

1. Параллельно защищаемой цепи. В нормальном режиме варистор закрыт и не влияет на работу схемы; при всплеске напряжения он открывается и шунтирует нагрузку, рассеивая энергию импульса в тепло.
2. Во входных цепях электропитания. Защита блоков питания, бытовой и промышленной электроники от коммутационных помех и грозовых наводок.
3. В устройствах связи и телекоммуникаций. Ограничение перенапряжений на линиях передачи сигнала.
4. В источниках бесперебойного питания, стабилизаторах, сетевых фильтрах — совместно с газоразрядниками и предохранителями.

Варисторы применяются также для подавления искрения в коллекторных двигателях и реле, для защиты полупроводниковых приборов (тиристоров, транзисторов, микросхем) от выбросов индуктивной нагрузки.

¶Ограничения и деградация

Варистор не является идеальным защитным элементом. При многократном воздействии импульсов его характеристики постепенно ухудшаются: растёт ток утечки, снижается классификационное напряжение. Это явление называют деградацией. При превышении допустимой энергии или длительном перенапряжении прибор может перегреться, задымить или разрушиться; в некоторых случаях для предотвращения возгорания последовательно с варистором устанавливают термопредохранитель.

Кроме того, варистор имеет заметную собственную ёмкость (десятки — тысячи пикофарад), что ограничивает его применение в высокочастотных сигнальных цепях.

¶Разновидности

Помимо оксидно-цинковых, исторически выпускались:

• карбидокремниевые (SiC) — с низким α, использовались в высоковольтной технике;
• селеновые — устаревшие, применявшиеся в первых защитных устройствах;
• оксидно-цинковые (ZnO) — современный стандарт благодаря высокой нелинейности и быстродействию.

Отдельную группу образуют многослойные и матричные варисторы для поверхностного монтажа, рассчитанные на низкие напряжения (3–60 В) и применяемые в портативной электронике.

¶Сравнение с другими защитными элементами

На практике эти элементы часто комбинируют, выстраивая многоступенчатую защиту.