Варисторы - средство защиты радиоэлектронной аппаратуры.

Варисторы - средство защиты радиоэлектронной аппаратуры.

Надежность работы радиоэлек­тронной аппаратуры во многом определяется качеством питающих электрических сетей, в которых мо­гут иметь место перенапряжения длительностью от сотен миллисе­кунд до нескольких секунд, провалы напряжения длительностью до де­сятков миллисекунд, пропадания (отсутствие напряжения более одно­го периода) и так далее. По статистике на перепады напряжения приходится 12%, на перенапряжение  2%, на провалы напряжения 57%, высоковольтные выбросы 16% и на высокочастотные шумы приходится 13%. Особенно опасны высоковольт­ные импульсы амплитудой до не­скольких киловольт и длительнос­тью от десятков наносекунд до сотен микросекунд. Именно они могут приводить к серьезным сбоям элек­тронной аппаратуры и выходу ее из строя, а также быть причиной про­боя изоляции проводов и даже их возгорания.

Импульсы напряжения, которые можно отнести к внешним сетевым помехам, возникают в раз­личных цепях аппаратуры, в первую очередь, в проводах питания. Они могут наводить­ся электромагнитными импульсами искусственного происхождения от передающих радиостанций, высоко­вольтных линий электропередач, се­тей электрифицированных желез­ных дорог, электросварочных аппа­ратов. Идентифицировать и системати­зировать причины таких помех практически невозможно. Однако для бытовых электрических сетей напряжением 220В приняты следу­ющие ориентировочные параметры внешних импульсных напряжений: амплитуда - до 6 кВ; частота - 0.05...5 МГц; длительность - 0.1...100 мкс. Они могут быть есте­ственного происхождения и наво­диться мощными грозовыми разря­дами. Они могут создаваться статическим напряжением, разряд которого достигает 25 кВ. Высоко­вольтные импульсы способны возникать и в самой аппаратуре при ее функционировании в результате пе­реходных процессов, при срабаты­вании электромагнитов, размыка­нии контактов реле, коммутации ре­активных нагрузок и так далее. Наи­большую угрозу представляют им­пульсы, возникающие при отключе­нии индуктивной нагрузки.

По указанным причинам радио­электронная аппаратура должна быть защищена от высоковольтных импульсных помех. В настоящее время для защиты радиоэлектронной аппаратуры от внешних импульсных воздействий применяются различные виды экра­нировки, RC- и LC-фильтры, газо­разрядные приборы (разрядники) и полупроводниковые ограничители напряжения. Разрядники не обладают необходи­мым быстродействием, а быстро­действующие полупроводниковые ограничители напряжения, с высокой нели­нейностью вольтамперной характе­ристики не способны рассеи­вать большую мощность из-за мало­го объема p-n-перехода. Это ограничивает величину до­пустимого тока в импульсе, протека­ющего через прибор.

Наиболее эф­фективным средством защиты аппа­ратуры от любых импульсных напря­жений признаны оксидно-цинковые варисторы. Варисторы - это нелинейные резисторы, сопротивление которых зависит от приложенного напряже­ния. Отличительной чертой варистора является двухсторонняя симмет­ричная и резко выраженная нели­нейная вольтамперная характе­ристика (рис. 1).

Электрические характеристики варистора определяются большим сопротивлением утечки и емкостью которая незначительно изменяется под воздействием напряжения и температуры. При больших напряжениях на варисторе, и соответственно, боль­ших токах, проходящих через него, плотность тока в точечных контактах оказывается также большой. Разо­грев точечных контактов приводит к уменьшению их сопротивления и, как следствие, к нелинейности вольтамперной характе­ристики.

Рис.1.

 Малые объемы активных областей обеспечивают малую инерционность тепловых процессов, что определяет их высокое быстродействие. Наряду с этим варисторы способны хорошо поглощать высокоэнергетические импульсы напряжения, так как теп­ловая энергия рассеивается не на от­дельных зернах полупроводника, а на всем его объеме. Особенностью вольтамперной характе­ристики варистора является наличие участка малых то­ков (условно от нуля до нескольких миллиампер), в котором находится рабочая точка варистора и участок больших токов, который определяет защитные свойства и, в частности, напряжение ограничения. Для варисторов на основе оксида цинка коэффициент нелинейности обычно составляет 20...60. Варисторы имеют достаточно большую емкость (100...50000 пф) в рабочем режиме (когда нет импульсов напряжения). При воздействии импульса их ем­кость падает практически до нуля.

Одной из важнейших характерис­тик варистора является классифика­ционное напряжение - напря­жение на варисторе при токе, равном 1 мА. Иногда приводится коэффици­ент защиты варистора - отношение напряжения на варисторе при токе 100 А к напряжению при токе 1 мА (то есть к классификационному напряже­нию). Он характеризует способность варистора ограничивать импульсыперенапряжения и для варисторов на основе оксида цинка находится в пределах 1,4...1,6. Таким образом, при росте напряжения в 1,4...1,6 раза ток через них возрастает в 100 000 раз.

Важной характеристикой варис­тора является допустимая мощность рассеивания, определяемая его гео­метрическими размерами и конст­рукцией выводов. Для увеличения мощности рассеивания часто приме­няют массивные выводы, играющие роль радиатора.

При возникновении высоковольт­ного импульса сопротивление варис­тора резко уменьшается до до­лей Ома и шунтирует нагрузку, защи­щая ее и рассеивая поглощенную энергию в виде тепла. При этом через варистор может протекать импульс­ный ток, достигающий нескольких ты­сяч ампер. Так как варистор практиче­ски безынерционен, то после исчезно­вения помехи его сопротивление вновь становится большим. Таким об­разом, включение варистора парал­лельно защищаемому устройству не влияет на работу последнего в нор­мальных условиях, но гасит импульсы опасного напряжения.

Выбор типа варистора осуществ­ляется на основе анализа его работы в двух режимах: в рабочем и им­пульсном. Рабочий режим опреде­ляется классификационным напря­жением U_кл, а импульсный — рассе­иваемой мощностью. Для ориенти­ровочных расчетов рекомендуется, чтобы рабочее постоянное напряже­ние на варисторе не превышало 0,85 U_KЛ, а при переменном токе действующее значение рабочего на­пряжения не превышало 0,6 U_кл.

В импульсном режиме через ва­ристор протекает большой ток, вследствие чего необходимо опасать­ся выхода его из строя из-за перегре­ва. С этой целью необходимо исполь­зовать варисторы с рассеиваемой мощностью большей, чем расчетная.

Для расчета варисторов, защи­щающих те или иные цепи от грозо­вого разряда, иногда приводят све­дения о напряжении на варисторе при воздействии стандартного гро­зового импульса. Очевидно, что варисторы могут работать и при последовательном включении. При этом в них протекает одинаковый ток, а общее напряже­ние делится пропорционально со­противлениям (в первом приближе­нии — классификационным напряже­ниям), в той же пропорции разделит­ся поглощаемая энергия. Сложнее обеспечить параллельную работу ва­ристоров — необходимо строгое сов­падение их вольтамперных характе­ристик. Эта задача вполне разрешима при последовательно-па­раллельной схеме включения - т.е. варисторы последовательно собира­ются в столбы, а столбы соединяются параллельно. При этом подбором ва­ристоров обеспечивают совпадение вольтамперных характе­ристик столбов, которые собираются в блоки с нужными параметрами.

                Для эффективной защиты аппаратуры от воздействия различных сетевых помех необходимо использовать сетевые фильтры с многоступенчатой защитой. Например, в сетевом фильтре массивные стержневые индукторы должны обеспечивать фильтрацию электромагнит­ных помех, оксидно-цинковые варисторы обеспечива­ют общий и нормальный режимы защиты от высоко­вольтных импульсов, а конденсаторы  фильтруют радиочастотные помехи и компенсируют средние и слабые колебания напряжения.