Varistor – co to je, princip činnosti, použití, označení na schématech – EK ZIP

Článek pojednává o konstrukčních vlastnostech vysokonapěťových pulzních generátorů určených pro testování varistorů. Jsou stanoveny podmínky pro zajištění provozních režimů pulzních generátorů blízkých přizpůsobeným. Jsou uvedena doporučení pro výběr optimálních hodnot nabíjecích napětí pro univerzální pulzní generátory a je poskytnuto experimentální potvrzení těchto doporučení.

Při sériové výrobě varistorů, na jejichž základě jsou vyráběny „nelineární svodiče přepětí“ (OSA), je povinnou podmínkou kontroly kvality výrobků jejich impulsní zkoušení podle normy Mezinárodní elektrotechnické komise (IEC) 99-4 [1]. Hlavní testy charakterizující varistor jsou bleskové (8/20 μs) impulsní testy; obdélníkový puls s dlouhou dobou trvání (2 ms) nebo ekvivalentní pulsy polovičního sinusového tvaru.

Hodnoty zbývajících napětí varistorů pro širokou škálu produktů se mohou lišit od stovek voltů do několika kilovoltů a hodnoty proudů se mohou lišit od stovek ampér do desítek tisíc ampér. Proto jsou potřeba univerzální pulzní generátory schopné testovat varistory v celém rozsahu požadovaných hodnot proudu a zbytkového napětí s přihlédnutím k tomu, že zatížení takových generátorů je nelineární.

Varistory jsou vysokorychlostní zařízení se spínacími časy v řádu zlomků mikrosekund. V tomto ohledu lze varistory považovat za odporovou, nelineární zátěž bez setrvačnosti.

Ekvivalentní obvod varistoru v režimu vysokého pulzního proudu může být reprezentován jako zdroj zpětného EMF U, se kterým je sériově zapojen rezistor R_rozdílKde U — zbývající napětí varistoru a R_rozdíl — jeho diferenciální odpor, který určuje úhel sklonu voltampérové ​​charakteristiky (VAC) vzhledem k ose úsečky [2].

hodnota R_rozdíl obvykle činí několik miliohmů a ve většině případů je lze ignorovat při analýze elektromagnetických procesů v pulzních generátorech.

Generátory založené na vysokonapěťových homogenních umělých vedeních (OHAL) našly široké uplatnění pro vytváření dlouhodobých pravoúhlých proudových pulzů ve varistorech. Jako spínače v těchto generátorech se používají řízené vzduchové nebo vakuové svodiče, zapalovací svodiče nebo tyristory. Při návrhu OLEJů vyvstává problém zajištění koordinovaných režimů jejich provozu.

V nejobecnější podobě je koordinovaný provozní režim jakékoli tvořící se bipolární sítě, včetně OIL, definován jako W_л=W_нKde W_л — energii uloženou ve vedení a W_н — energie uvolněná v zátěži během trvání impulsu τ. Pak podmínka pro přizpůsobení OIL s lineárními a nelineárními odporovými zátěžemi bez setrvačnosti libovolného typu vypadá takto

kde U_н — napětí na zátěži.

Pro dlouhou distribuovanou linii parametrů (LDPL), ekvivalentní OIL, je hodnota uložené energie rovna

Množství energie uvolněné v zátěži se rovná

V tomto případě je zátěžový proud určen rozdílem mezi nabíjecím napětím sítě a napětím zátěže:

Celková kapacita DLRP [3]

Energie proudového impulsu libovolného tvaru, uvolněného v zátěži ve formě zpětného EMF, je rovna

kde I_ženatý — průměrná hodnota zatěžovacího proudu během trvání impulsu τ.

Pro obdélníkový pulz I_ženatý = I_m podmínka dohody má formu

Řešením rovnice (3) je rovnost U_zar = 2U_н, který určuje koordinovaný provozní režim DLRP i OIL při jakékoli lineární a nelineární odporové zátěži.

Pokud jsou testy prováděny s polovičními sinusovými pulzy, pak má podmínka přizpůsobení stejnou formu, ale v tomto případě je jako paměťové zařízení a tvarovač použit sériový LC oscilační obvod.

U zátěží ve formě proti-EMF je regulace v širokém rozsahu zátěžového proudu při zachování koordinovaného provozního režimu možná pouze změnou hodnoty vlnového odporu tvořící se dvousvorkové sítě, což je v praxi obtížně proveditelné. Parametry tvorby dvousvorkových sítí pracujících v rámci pulzních zkušeben lze v tomto ohledu jednoznačně stanovit pouze pro varistory jednoho typu. V tomto případě se parametry nastavují buď požadovanou hodnotou amplitudy pulzního proudu I_mnebo velikost energie W_н, které musí být ve varistoru přiděleno na základě predikované hodnoty zbývajícího napětí na varistoru U.

Protože pro obdélníkový impuls

pak všechny výpočty přijdou na určení hodnoty I_m.

Celková kapacita OLEJE je C_л = τ/2,2ρa celková indukčnost je L_л = ρ 2 C_л. Pro získání pravoúhlých proudových impulsů s dostatečně krátkým trváním přední a zadní části se používají oleje s několika články n, rovnající se 10–12. V tomto případě jsou hodnoty buněčných prvků stejné L_я = L_л/n и C_я = C_л/n.

Při absenci koordinace je OIL buď v oscilačním nebo aperiodickém provozním režimu. Zároveň po určitou dobu t > τ na varistor a spínač bude přivedeno dopředné nebo zpětné zbytkové napětí U_ost.

Při vybíjení DLRP do zátěže lze uvažovat o procesu vybíjení vedení nabitého na napětí U_zar = kU, jako ekvivalentní proces nabíjení vedení ze zdroje EMF.

Nabíjecí napětí v čase t = τ se rovná:

Vzhledem k tomu, že počáteční náboj linky byl roven kU, pak se zbytkové napětí rovná:

S hodnotami k = 2 režim vybíjení linky bude konzistentní, U_ost = 0 a veškerá energie uložená ve vedení bude během času uvolněna do zátěže t = τ.

S hodnotami k > 2 režim bude oscilační a na zátěž a spínač na konci hlavního impulsu (t ≥ τ) bude aplikováno zpětné napětí U_arr = U(2 – k).

Výkonové spínače používané v takových instalacích, jako jsou vzduchové mezery, obvykle nemají vodivost ventilů a ventilová zařízení (mezery zapalování) špatně odolávají zpětnému napětí při spínání velkých proudů. Použití tyristorů ve vysokonapěťových pulzních instalacích není vždy vhodné kvůli složitosti konstrukce vysokonapěťového tyristorového spínače. Jako výhodnější se zdá být použit varistor jako vysokorychlostní klíč, který zajišťuje prakticky úplnou absenci proudu v zátěži při t ≥ τ, pokud je zbytkové napětí na tvořící dvousvorce menší než klasifikační napětí tohoto varistoru.

Předpokládejme, že od okamžiku t ≥ τ spínač zůstane ve vodivém stavu a zbytkové síťové napětí je přivedeno na varistor. Aby energie uvolněná ve varistoru od tohoto okamžiku byla nevýznamná a neovlivnila výsledky testovacího procesu, využijeme blokovacích vlastností samotného varistoru omezující hodnotu zbytkového síťového napětí na úrovni klasifikačního napětí varistoru, tzn.

Protože varistor má vysokou rychlost odezvy, nevznikají klasické problémy se zajištěním podmínek pro deionizaci spínačů a varistorové proudy při splnění podmínky (4) neovlivňují proces testování.

Proto je možné rozšířit přípustný rozsah regulace nabíjecího napětí sítě. Protože

Zbytkové napětí varistoru souvisí s klasifikačním napětím jako

kde β je komutační koeficient, jehož hodnota je pro jednu šarži varistorů prakticky konstantní. Potom z (5) získáme

Pro dohodnutý režim k = 2. Vezmeme-li průměrnou hodnotu β = 1,5, vezmeme-li v úvahu závislost (6) a podmínku, že U_zar = kU = kβU_cl, dostaneme

tedy pro oscilační režim k_max = 2,66 a pro aperiodický režim k_min = 1,33.

Tento přístup výrazně rozšiřuje možnost regulace amplitudy zatěžovacího proudu s konstantní impedancí vedení. Pokud není splněna podmínka (7), je nutné změnit vlnovou impedanci vedení, což umožní diskrétní změnu v ρ v instalaci ve fázi návrhu.

Při zkoušení varistorů je nutné stabilizovat buď varistorový proud I_mnebo množství energie absorbované varistorem W_н. V jedné dávce varistorů jsou povoleny odchylky klasifikace a zbývajícího napětí od jmenovité hodnoty o ±10 %. Kvůli tomu stabilizovat proud varistorů I_m je nutné pokaždé předvídat a nastavit úroveň nabíjecího napětí U_zar pro jednotlivý vzorek podle hodnoty jeho klasifikačního napětí. To komplikuje automatizaci procesu testování a komplikuje práci operátora a množství energie absorbované varistory není stabilní. Je mnohem snazší stabilizovat ne vybíjecí proud, ale úroveň nabíjecího napětí oleje pomocí nejjednodušších automatizačních nástrojů. V tomto případě bude v případě zvýšené hodnoty zbytkového napětí jediného varistoru jeho proud úměrně menší a naopak. Proto je třeba očekávat výrazné snížení vlivu rozložení hodnot zbývajících napětí na množství energie absorbované varistory.

Pro stanovení požadované hodnoty nabíjecího napětí OIL při testování samostatné série varistorů, jejichž klasifikační napětí jsou bez problémů předem změřena, se navrhuje použít následující přístup.

Vezměme si hodnotu nabíjecího napětí

kde U ženatý _cl и U ženatý — aritmetické střední hodnoty klasifikace a zbývajících napětí varistorů samostatné šarže.

Odhadněme vliv rozložení hodnot zbývajících napětí varistorů na rozložení hodnot jimi absorbované energie.

Energie absorbovaná jediným varistorem je

Protože τ a ρ jsou konstanty, závisí množství energie uvolněné do zátěže v jednom pulzu jak na přizpůsobovacím koeficientu, tak na rozptylu parametrů varistoru, tzn. W_н = ƒ (k, AU ženatý ).

Tabulka ukazuje hodnoty relativních energetických veličin. W*_н = W ΔU _н/W ženatý _н pro různé hodnoty vyrovnávacího koeficientu k při konstantní hodnotě úrovně nabíjecího napětí U_zarKde W ΔU _н — energie absorbovaná varistorem s hodnotou odchylky zbytkového napětí ΔU, W ženatý _н — energie absorbovaná varistorem s nulovou odchylkou zbytkového napětí.

Z tabulky je vidět, že v koordinovaném provozním režimu (k = 2) vliv rozptylu parametrů varistoru je minimální, v oscilačním režimu (2 ≤ k ≤ 2,66) má rozptyl parametrů nevýznamný vliv na energii procesu a v aperiodickém režimu (1,33 ≤ k ≤ 2) tento vliv se zvyšuje.

Z toho vyplývá, že vhodnější jsou režimy přizpůsobeného nebo oscilačního vybíjení. To umožňuje automatizovat proces testování stabilizací nabíjecího napětí, protože odchylky v množství energie absorbované varistory od zadané hodnoty budou nevýznamné.

Přijatelné konstrukční řešení, které umožňuje diskrétní regulaci vlnové impedance vedení, je výroba formující se reaktivní dvousvorkové sítě ve formě několika OIL, které tvoří pulsy stejné délky a mají buď stejnou vlnovou impedanci nebo vlnovou impedanci ρ._k, jehož hodnoty se mění podle zákona

Při použití různých možností sériového a paralelního připojení takových olejů je možné měnit celkový vlnový odpor tvořící se dvousvorkové sítě v širokých mezích.

Na Obr. 2 ukazuje výsledky numerické simulace v Micro-Cap 7, demonstrující činnost univerzální zkušební stolice „Magnus“. Stojan se skládá ze tří 12článkových OILů a poskytuje možnost jejich paralelního nebo sekvenčního zapojení s konstantní hodnotou zatěžovacího proudu a různými celkovými vlnovými odpory vedení.

Na Obr. 3–5 výsledky experimentů s konstantní hodnotou zatěžovacího proudu a různými vlnovými odpory vedení (plná čára ukazuje zbývající napětí varistoru a tečkovaná čára proud).

Bylo získáno experimentální potvrzení analytických i numerických výpočtů provedených v této práci. Zvláště je třeba poznamenat, že nekoordinované provozní režimy mohou vést k tepelnému průrazu testovaných varistorů v časových intervalech výrazně překračujících dobu trvání samotného pulsu. To lze vysvětlit přítomností zbytkových napětí v tvářecí lince, která výrazně zkreslují výsledky zkoušek, a proto vyžadují zvláštní pozornost.

1. Mezinárodní elektrotechnická komise. (IEC 99-4) Mezinárodní norma. Svodiče přepětí. Část 4. Oxidové svodiče přepětí bez jiskřiště pro elektrické sítě střídavého proudu. Petrohrad, 1992.
2. Knihovna elektronických součástek. Vydání 12: Varistory a svodiče od Siemens & Matsushita. M.: DODEKA, 2000.
3. Itskhoki Ya. S. Pulzní zařízení. M.: Sovětský rozhlas, 1959.
4. Certifikát užitného vzoru č. 25095. Vysokonapěťová zkušební stolice pro zkoušení svodičů přepětí / Saenko I. V., Opre V. M., Korotaev N. V. // Bulletin. 2002. č. 25.

Varistor je polovodičový prvek, který je určen k ochraně elektronických obvodů před napěťovými rázy. Varistor je v podstatě stejný odpor, jehož hlavním parametrem je odpor, který závisí na napětí, které je k němu přiváděno.

Hlavním účelem varistorů je ochrana radioelektronických obvodů před přepětím. Hlavní charakteristikou varistorů je složka proud-napětí. Právě ta se bude měnit v závislosti na napětí, které prochází varistorem.

Je tedy jasné, jak přesně varistor funguje a proč je potřeba.

<strong>Co je varistor</strong>

Varistor je polovodič, ve skutečnosti rezistor, jehož vodivost zcela závisí na procházejícím napětí. Varistory se používají k ochraně elektronických prvků na desce před silnými napěťovými rázy. Každý varistor má dvě svorky a jeho hlavním parametrem je nelineární charakteristika proud-napětí, označovaná jako „napěťová charakteristika“.

Stabilizace napětí je hlavním úkolem varistoru. To se děje díky jedné malé vlastnosti, protože varistory mohou automaticky měnit svůj odpor v závislosti na napětí v obvodu. A pokud náhle dojde v obvodu k velkému přepětí, varistor obvod jednoduše uzavře a tím zabrání poškození ostatních prvků na desce.

<strong>Typy varistorů</strong>

Existují dva zásadně odlišné typy varistorů, jedná se o vysokonapěťové a nízkonapěťové varistory. Vysokonapěťové varistory jsou určeny pro provoz v obvodech do 20 kV a nízkonapěťové varistory pracují v obvodech od 3 do 200 voltů.

Právě nízkonapěťové varistory si získaly největší oblibu v různých rádiových zařízeních, která jsme dnes zvyklí používat. Varistory jsou vyrobeny z karbidu křemíku a oxidu zinečnatého s následným povlakem těchto prvků kovem.

<strong>Hlavní charakteristiky varistorů</strong>

Všechny varistory mají následující vlastnosti, které je důležité vzít v úvahu pro každého začínajícího radioamatéra:

• provozní napětí varistoru může být od dvou Voltů a končit v desítkách kilovoltů;
• doba odezvy varistoru, měří se v nanosekundách;
• kapacita varistoru zcela závisí na napětí v obvodu;

• celková absorpční energie, která se měří v joulech;
• maximální pulzní proud, který se měří v ampérech.

Každý varistor má také takovou charakteristiku, jako je povolená odchylka, která se měří v procentech. Dále se podívejme, jak je varistor označen na schématech a jaké má označení.

<strong>Značení a označení varistorů na schématech</strong>

Varistory mají grafické i písmenné označení, které je aplikováno přímo na jejich pouzdro.

Typicky jsou určité vlastnosti tohoto polovodiče vyznačeny na krytu varistoru, jako například:

• tvarový faktor varistoru;
• tolerance;
• maximální provozní napětí;
• průměr varistoru.

Typ varistoru, oxid zinečnatý nebo oxid kovu, může být také uveden na pouzdru. Stojí za zmínku, že každý výrobce varistoru má právo vytvořit pro toto zařízení vlastní označení.

<strong>Princip činnosti varistoru</strong>

Varistor funguje následovně. Jeho odolnost při běžném provozu je vysoká. S výrazným zvýšením napětí se odpor varistoru začne snižovat. Tím je elektronický obvod regulován a chráněn.

Je třeba vzít v úvahu, že když je instalován na vstupu elektrického obvodu, varistor přidává svou kapacitu k již existující kapacitě. Proto je důležité vzít tuto vlastnost v úvahu při návrhu celé linky.