Варистор (англ. Vari (able) (resi) stor — переменный резистор) — полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление (проводимость) которого нелинейно зависит от приложенного напряжения, то есть он обладает нелинейной симметричной вольтамперной характеристикой и имеет два вывода.
Варистор представляет собой электротехническое изделие, изготовленное из многофазных полупроводниковых материалов.
Основной материал для изготовления варисторов — полупроводниковый карбид кремния SiC. Кристаллы SiC размалывают до размера 40-300 мкм, и этот порошок используют как основу варистора. Порошкообразный карбид кремния и связующее вещество запрессовывают в форму и спекают. Если в качестве связующего вещества используют глину, то полученный материал называют Тирит. Для изготовления Тирита смесь 74% мелкоизмельченного карбида кремния и глины прессуется и обжигается при температуре 1270 ° С
Если используют жидкое стекло (75% SiO2 + 24% Na2O + вода), то полученный материал, состоящий из 84% SiC и 16% связующего, называют Вилит. Смесь для изготовления Вилита прессуется и обжигается при температуре 380 °С
Поверхность прессованного образца металлизируют и к ней припаивают выводы. Изменение электропроводности варистора с нарастанием напряжения на его выводах связано со сложными явлениями на контактах или на поверхности кристаллов. Например, уменьшение сопротивления с ростом напряжения в варисторах, изготовленных на основе карбида кремния, связано с падением сопротивления контактов между зернами SiC. Это происходит вследствие нелинейного роста тока через p-n переходы, которые образуются на этих контактах, в результате автоэлектронной эмиссии на острых участках зерен и т. д.
Конструктивно варисторы выполняются обычно в виде дисков, таблеток, стержней; существуют бусинковые и пленочные варисторы. Широкое распространение получили стержневые подстроечные варисторы с подвижным контактом.
Свойства:
Нелинейность характеристик варисторов обусловлена локальным нагревом соприкасающихся граней многочисленных кристаллов карбида кремния (или другого полупроводника). При локальном повышении температуры на границах кристаллов сопротивление последних существенно снижается, что приводит к уменьшению общего сопротивления варисторов.
Варисторы на основе карбида кремния имеют невысокий коэффициент нелинейности, порядка 5-7, поэтому в настоящее время для изготовления варисторов применяется оксид цинка с добавками оксидов висмута, кобальта, марганца, сурьмы и хрома. Технология его приготовления сложна, она включает раздельный размол компонентов, смешивания со связкой, прессование, спекание с выжиганием связи, размола, вторичное спекания, вжигание электродов. В результате получается высококачественная керамика с высокой нелинейностью, величина которой составляет 50-70. Нелинейность варисторов на основе оксидных полупроводников связана не со свойствами кристаллитов, а со свойствами межкристаллитных слоев и потенциальных барьеров на поверхности кристаллитов.
Параметры:
- Классификационная напряжение, В — напряжение при определенном токе (обычно производители указывают при 1 мА), практической ценности не представляет
- Рабочее напряжение (Operating voltage), В, диапазон — от нескольких В до нескольких десятков кВ, данное напряжение должно быть превышено только при перенапряжении.
- Рабочий ток (Operating Current), a — диапазон — от 0,1 мА до 1 А
- Максимальный импульсный ток (Peak Surge Current), а
- Поглощаемая энергия (Absorption energy), Дж
- Коэффициент нелинейности
- Температурные коэффициенты (статический. Сопротивления, напряжения, тока) — для всех типов варисторов не превышает — 0,1% на градус
В настоящее время для защиты радиоэлектронной аппаратуры от внешних импульсных воздействий применяются различные виды экранирование, RC-и LC-фильтры, газоразрядные приборы (разрядники) и полупроводниковые ограничители напряжения (ПОН). К сожалению, разрядники не обладают необходимым быстродействием, а быстродействующие ПОН, с высокой нелинейностью вольтамперной характеристики (ВАХ) не способны рассеивать большую мощность за малого объема p-n перехода. Это обусловливает резкое уменьшение допустимого тока в импульсе, протекающего через прибор.
В последнее время наиболее эффективным средством защиты аппаратуры от любых импульсных напряжений признаны оксидно-цинковые варисторы. Отличительной особенностью варистора является двусторонняя симметричная и резко выраженная нелинейная ВАХ .
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 велик. Разогрев точечных контактов приводит к уменьшению их сопротивления и, как следствие, к нелинейности ВАХ. Малые объемы активных областей обеспечивают малую инерционность тепловых процессов, определяет их высокое быстродействие. Наряду с этим варисторы способны хорошо поглощать высокоэнергетические импульсы напряжения, поскольку тепловая энергия рассеивается не в отдельных зернах полупроводника, а на всем его объеме.
В области малых токов ВАХ описывается выражением:
I=AUβ
где I — ток, U — напряжение, A коэффициент, значение которого зависит от типа варистора и от температуры; β — коэффициент нелинейности, характеризующий крутизну ВАХ и определяется отношением статического сопротивления варистора к дифференциальному в определенной точке:
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. Для расчета варисторов, защищающие 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 поглощенная энергия. Сложнее обеспечить параллельную работу варисторов — необходимо строгое совпадение их ВАХ. Эта задача вполне разрешима при последовательно-параллельной схеме включения — есть варисторы последовательно собираются в столбы, а столбы соединяются параллельно. При этом подбором варисторов обеспечивают совпадение ВАХ столбов, которые собираются в блоки с нужными параметрами. Варисторы изготавливаются в обычном исполнении (дисковые, прямоугольные), в виде блоков различной формы и в виде чипов, что позволяет существенно экономить место на печатной плате.
Надежность работы радиоэлектронной аппаратуры во многом определяется качеством питают электрических сетей, в которых могут иметь место перенапряжения длительностью от сотен миллисекунд до нескольких секунд, провалы напряжения длительностью до десятков миллисекунд, исчезновение (отсутствие напряжения более одного периода) и так далее. Особенно опасны высоковольтные импульсы амплитудой до нескольких киловольт и продолжительностью 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 сетевых помех, возникающих в различных цепях аппаратуры, в первую очередь, в проводах питания.
Во-первых, они могут приводиться электромагнитными импульсами искусственного происхождения от передающих радиостанций, высоковольтных линий электропередач, сетей электрифицированных железных дорог, электросварочных аппаратов.
Идентифицировать и систематизировать причины таких препятствий практически невозможно. Однако для бытовых электрических сетей напряжением 220 В приняты следующие ориентировочные параметры внешних импульсных напряжений:
- амплитуда — до 6 кВ
- частота — 0,05 … 5 МГц;
- продолжительность — 0,1 … 100 мкс.
Во-вторых, они могут быть природного происхождения и приводиться мощными грозовыми разрядами.
В-третьих, 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.
Нелинейные резисторы — варисторы — широко применяются в производстве вентильных разрядников, предназначенных для защиты электрооборудования от грозовых и коммутационных перенапряжений. Вентильные разрядники подразделяют на низковольтные и высоковольтные. Варисторы используется также в умножителя частоты, модуляторы, устройствах поглощения перенапряжений и др.
Применение:
Низковольтные варисторы изготавливают на рабочее напряжение от 3 до 200 В и ток от 0,1 мА до 1 А; высоковольтные варисторы — на рабочее напряжение до 20 кВ.
Варисторы применяются для стабилизации и регулирования низкочастотных токов и напряжений, в аналоговых вычислителях — для возведения в степень, извлечения корней и других математических действий, в цепях защиты от перенапряжений (например, высоковольтные линии электропередачи, линии связи, электрические приборы) и др.
Высоковольтные варисторы применяются для изготовления ограничителей перенапряжения.
Как электронные компоненты, варисторы дешевле и надежнее, способны выдерживать значительные электрические перегрузки, могут работать на высокой частоте (до 500 кГц).
Среди недостатков — значительный низкочастотный шум и старение — изменение параметров со временем и при колебаниях температуры.
В последние годы появились на рынке так называемые «нестареющие» варисторы, имеющие по ряду параметров улучшения электрических свойств во времени под напряжением промышленной частоты.