Jedes elektronische Gerät, das an ein Netz angeschlossen ist, muss gegen das Überschreiten von Strom- oder Spannungsschwellen geschützt werden. Für den Stromschutz werden verschiedene Sicherungen und Schutzschalter verwendet, für den Überspannungsschutz werden jedoch meist Varistoren eingesetzt. In diesem Artikel werden das Prinzip des Varistors, seine Eigenschaften sowie die Vor- und Nachteile dieses elektronischen Bauteils erläutert.
Inhalt
Was ist ein Varistor und wo wird er eingesetzt?
Varistor - Ein Varistor ist ein variabler Festkörperwiderstand, der seinen elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von der an ihn angelegten Spannung ändert.
Das Funktionsprinzip dieses elektronischen Bauteils unterscheidet sich von dem eines normalen Widerstands oder Potentiometers. Der Standardwiderstand Widerstand Das Potentiometer hat jederzeit einen konstanten Widerstand, unabhängig von der Spannung im Stromkreis; das Potentiometer ermöglicht die manuelle Änderung des Widerstands durch Drehen des Drehknopfes. Ein Varistor hingegen hat eine nichtlineare, symmetrische Strom-Spannungs-Kennlinie, und sein Widerstand ist vollständig von der Schaltspannung abhängig.
Aufgrund dieser Eigenschaft werden Varistoren weithin und effektiv zum Schutz von elektrischen Netzen, Maschinen und Anlagen sowie elektronischen Bauteilen, Platinen und Chips eingesetzt, unabhängig von der Art der Spannung. Sie sind kostengünstig in der Herstellung, robust und hoch belastbar.
Varistoren werden sowohl in Hochspannungsanwendungen bis zu 20 kV als auch in Niederspannungsanwendungen von 3V bis 200V als Spannungsbegrenzer eingesetzt. Sie können sowohl in Wechsel- als auch in Gleichstromkreisen verwendet werden. Sie werden zur Regelung und Stabilisierung von Strom und Spannung sowie in Überspannungsschutzgeräten eingesetzt. Sie werden bei der Konstruktion von Netzfiltern, Stromversorgungen und Mobiltelefonen verwendet, ÜBERSPANNUNGSSCHUTZGERÄTE und andere Geräte.
Typen und Funktionsprinzip
Unter normalen Betriebsbedingungen hat ein Varistor einen enormen Widerstand, der abnehmen kann, wenn die Spannung über einen Schwellenwert ansteigt. Wenn die Spannung stark ansteigt, wechselt der Varistor von seinem isolierenden in einen leitenden Zustand und stabilisiert die Spannung, indem er über den Avalanche-Effekt im Halbleiter einen hohen Strom durchlässt.
Varistoren können hohe und niedrige Spannungen verarbeiten und werden daher in zwei Gruppen von Bauelementen unterteilt, die das gleiche Funktionsprinzip haben:
- Hochspannung: geeignet für den Betrieb in Stromkreisen mit Stromwerten bis zu 20 kV (Einsatz in Netz- und Geräteschutzsystemen, Überspannungsschutzgeräten).
- Niederspannungskomponenten: Nennspannungen dieses Typs reichen von 3 V bis 200 V (zum Schutz von elektronischen Geräten und Ausrüstungskomponenten mit einem Strom von 0,1 bis 1 A, die am Eingang oder Ausgang des Netzteils installiert sind).
Reaktionszeit von Varistoren bei Spannungsspitze beträgt etwa 25 ns, was ein ausgezeichneter Wert ist, aber in manchen Fällen nicht ausreicht. Daher haben die Hersteller elektronischer Bauteile eine Technologie entwickelt, um einen SMD-Widerstand mit einer Ansprechzeit von 0,5 ns oder besser herzustellen.
Alle Arten von Varistoren werden aus Siliziumkarbid oder Zinkoxid hergestellt, indem dieses Material mit einem Bindemittel (Harz, Ton, Glas) bei hoher Temperatur gesintert wird. Sobald das Halbleiterelement fertig ist, wird es beidseitig metallisiert und die Metallanschlüsse werden verlötet.
Kennzeichnung, Hauptmerkmale und Parameter
Jeder Hersteller von Varistoren kennzeichnet sein Produkt auf eine bestimmte Art und Weise, daher gibt es eine große Anzahl von Kennzeichnungsvarianten und deren Entzifferung. Die gebräuchlichsten Varistoren in Russland sind K275, und beliebte ausländische Bauteile sind 7n471k, kl472m und andere.
Sie können die Bezeichnung des Varistors CNR-10d751k wie folgt entschlüsseln: CNR - Metall-Oxid-Varistor; d - bedeutet, dass das Bauteil die Form einer Scheibe hat; 10 - ist der Durchmesser der Scheibe; 751 -ist die Ansprechspannung für das Gerät (die Berechnung erfolgt durch Multiplikation der ersten beiden Ziffern mit 10 hoch der dritten Ziffer, d. h. 75 mal 10 hoch 750 V); k - die zulässige Abweichung von der Nennspannung, die 10 % in jeder Richtung beträgt (l - 15 %, M - 20 %, P - 25 %).
Die wichtigsten Merkmale von Varistoren sind folgende:
Klassifizierung Spannung - Spannung bei einem bestimmten Wert des durch den Varistor fließenden Stroms (dieser Wert beträgt normalerweise 1 mA). Dieser Parameter ist relativ und hat keinen Einfluss auf die Wahl des Geräts;
maximal zulässige Spannung - Spannungsbereich (RMS oder rms.), bei dem der Varistor beginnt, seinen Widerstand zu verringern;
Maximale Absorptionsenergie - ein Merkmal, das angibt, wie viel Energie ein Varistor ableitet und nach einem einzigen Impuls nicht ausfällt (gemessen in Joule);
Maximaler Impulsstrom - normalisiert die Anstiegszeit und Dauer des Stromimpulses (gemessen in Ampere);
Kapazität - ist ein sehr wichtiger Parameter, der in geschlossenem Zustand und bei einer bestimmten Frequenz gemessen wird (fällt auf Null, wenn ein hoher Strom an den Varistor angelegt wird);
Zulässige Abweichung - die Abweichung von der Nennpotentialdifferenz in beiden Richtungen (wird als Prozentsatz angegeben).
Auslösezeit - Zeit, nach der der Varistor von geschlossen auf offen wechselt (In der Regel einige zehn Nanosekunden).
Vor- und Nachteile von Varistoren
Wichtige Vorteile des nichtlinearen Widerstands (Varistor) sind seine stabile und zuverlässige Leistung bei hohen Frequenzen und hohen Lasten. Er wird in vielen Anwendungen mit Spannungen von 3V bis 20kV eingesetzt, ist relativ einfach und kostengünstig herzustellen und effizient im Betrieb. Weitere wichtige Vorteile sind:
- hohe Reaktionsgeschwindigkeit (Nanosekunden);
- lange Nutzungsdauer;
- die Fähigkeit, Spannungsschwankungen zu überwachen (trägheitsfreie Methode).
Dieses elektronische Bauteil hat zwar viele Vorteile, aber auch Nachteile, die seinen Einsatz in verschiedenen Systemen beeinträchtigen. Dazu gehören:
- niederfrequente Geräusche während des Betriebs;
- Die Alterung des Bauteils (Verlust von Parametern im Laufe der Zeit);
- hohe Kapazität: Sie hängt von der Spannung und der Art des Elements ab, liegt im Bereich von 70 bis 3200 pF und beeinflusst die Leistung des Geräts;
- keine Verlustleistung bei maximaler Spannung - erhebliche Überhitzung und Ausfall bei längerer maximaler Spannung.
Auswahl der Varistoren
Um den richtigen Varistor für ein bestimmtes Gerät auszuwählen, muss man die Eigenschaften seiner Stromversorgung kennen: Widerstand und Transientenleistung. Der maximal zulässige Stromwert wird unter anderem durch die Dauer der Einwirkung und die Anzahl der Wiederholungen bestimmt, so dass ein Varistor, der mit einem niedrigeren Spitzenstromwert installiert wird, recht schnell ausfällt. Kurz gesagt, um das Gerät wirksam zu schützen, sollte der Varistor mit einer Spannung gewählt werden, die eine kleine Spanne über der Nennspannung liegt.
Wichtig für den störungsfreien Betrieb eines solchen elektronischen Bauteils sind auch die Geschwindigkeit, mit der die aufgenommene Wärmeenergie abgeführt wird, und die Fähigkeit, schnell wieder in den Normalbetrieb zurückzukehren.
Variistor-Anschlussplan und Anschlussvarianten
Über Schaltungen Varistoren sind in der Regel angegeben bei.Wie ein gewöhnlicher Widerstand, aber mit dem Buchstaben U neben dem Schrägstrich. Dieser Schrägstrich zeigt in den Diagrammen an, dass das Element eine Abhängigkeit des Widerstands von der Stromkreisspannung hat. Auch in Verdrahtungsplan dieses Bauteil ist mit zwei Buchstaben R und U gekennzeichnet, denen eine Ordnungszahl hinzugefügt ist (RU1, RU2 ... usw.).
Es gibt eine Vielzahl von Anschlussmöglichkeiten für Varistoren, aber allen Methoden ist gemeinsam, dass dieses Bauteil parallel zum Versorgungsstromkreis angeschlossen wird. Daher ist der Strom, der durch den Varistor fließt, in Abwesenheit von gefährlichen Spannungsimpulsen gering (aufgrund seines hohen Widerstands) und beeinträchtigt die Leistung des Systems in keiner Weise. Tritt eine Überspannung auf, ändert der Varistor seinen Widerstand auf einen kleinen Wert, die Last wird überbrückt und die absorbierte Energie wird in den umgebenden Raum abgeleitet.
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