Варисторы

Варисторы: принцип действия, основные параметры и применение в электротехнике

Варистор (от англ. VARIable resISTOR – переменный резистор) – это полупроводниковый резистор, нелинейное сопротивление которого существенно зависит от приложенного напряжения. Данный компонент является ключевым элементом защиты электронных и электрических цепей от перенапряжений, включая коммутационные и грозовые импульсы. Его основная функция – шунтирование избыточного тока при превышении порогового напряжения, тем самым ограничивая напряжение на защищаемом оборудовании.

Принцип действия и вольт-амперная характеристика

В основе работы варистора лежит явление нелинейной симметричной вольт-амперной характеристики (ВАХ). При напряжениях ниже порогового значения (классификационного напряжения) ток через варистор пренебрежимо мал (единицы – сотни микроампер), и он находится в высокоомном состоянии, практически не влияя на работу цепи. При достижении и превышении порогового напряжения сопротивление варистора резко, нелинейно уменьшается на несколько порядков (до долей Ома), что приводит к шунтированию защищаемой цепи и отводу импульсного тока большой величины через себя. После снижения напряжения до нормального уровня варистор возвращается в высокоомное состояние.

ВАХ варистора описывается уравнением: I = k

V^α, где I – ток, V – напряжение, k – постоянная, зависящая от материала и геометрии, а α – нелинейный коэффициент. Для варисторов на основе оксида цинка (ZnO) α может достигать 50 и более, что свидетельствует о высокой нелинейности. Графически ВАХ в логарифмическом масштабе представляет собой прямую линию, угол наклона которой определяется коэффициентом нелинейности.

Конструкция и материалы

Подавляющее большинство современных варисторов изготавливается на основе оксида цинка (ZnO) с добавлением легирующих оксидов (Bi₂O₃, Sb₂O₃, Co₂O₃, MnO₂ и др.). Технологический процесс включает прессование керамической смеси в диски или другие формы, спекание при высоких температурах и нанесение металлизированных электродов (обычно на основе серебра). Многослойные чип-варисторы (MLV) производятся по толстопленочной технологии, аналогичной производству многослойных керамических конденсаторов (MLCC).

Микроструктура керамики ZnO представляет собой полупроводящие зерна ZnO, разделенные тонкими изолирующими прослойками на границах. Именно эти границы зерен, обладающие нелинейными вольт-амперными характеристиками, обуславливают основные свойства варистора. При подаче напряжения падение напряжения происходит в основном на этих границах.

Основные электрические и эксплуатационные параметры

При выборе варистора для конкретного применения необходимо учитывать комплекс взаимосвязанных параметров.

Ключевые статические параметры:

Классификационное напряжение (Varistor Voltage, V_N): Напряжение, измеренное при заданном постоянном токе (обычно 1 мА). Это основной параметр, указывающий на точку «срабатывания» варистора. Для сетевых применений V_N выбирается с запасом относительно номинального сетевого напряжения (например, для сети 230 В RMS ~ 325 В пик. выбирают варистор с V_N не менее 430 В).
Максимальное допустимое переменное (V_RMS) и постоянное (V_DC) рабочее напряжение: Длительно допустимое действующее значение переменного или постоянного напряжения, при котором варистор может находиться в непроводящем состоянии без деградации и перегрева.
Максимальный импульсный ток (Maximum Peak Current, I_PP): Пиковое значение импульса тока заданной формы (обычно 8/20 мкс), которое варистор может выдержать однократно без разрушения. Указывается для определенного числа ударов (например, 1 или 2).
Максимальная энергия поглощения (Maximum Energy Absorption, W): Максимальная энергия в джоулях, которую варистор может рассеять при импульсе заданной формы без повреждения. Рассчитывается как интеграл от произведения напряжения на варисторе на ток через него за время действия импульса.
Коэффициент нелинейности (α): Определяет крутизну ВАХ. Чем выше α, тем лучше ограничивающие свойства варистора.
Собственная емкость: В состоянии покоя варистор обладает значительной емкостью (от десятков пФ для дисковых высоковольтных до тысяч нФ для низковольтных MLV). Этот параметр критичен в высокочастотных цепях.

Таблица 1. Типовые параметры дисковых варисторов для защиты сети 230 В

Диаметр, мм	V_N при 1 мА, В	Макс. напряжение V_RMS, В	Макс. импульсный ток (8/20 мкс), кА	Макс. поглощаемая энергия (10/1000 мкс), Дж	Пример типового обозначения
7	430	275	2.5	16	MYG07-431K
10	430	275	4	30	MYG10-431K
14	430	275	6.5	65	MYG14-431K
20	430	275	10	150	MYG20-431K

Классификация и типы варисторов

Дисковые (Radial Lead Disc Varistors): Наиболее распространенный тип для защиты силовых цепей. Имеют высокие значения рассеиваемой энергии и импульсного тока. Монтируются на плату или в клеммные колодки.
Многослойные чип-варисторы (MLV – Multilayer Varistors): Для поверхностного монтажа (SMD). Обладают малой индуктивностью, что важно для защиты высокоскоростных линий (USB, HDMI, Ethernet), но меньшей энергией поглощения по сравнению с дисковыми аналогами.
Блочные/модульные варисторы: Сборки из нескольких варисторов в едином корпусе, часто с термопредохранителями или индикаторами состояния. Используются в мощных промышленных системах.
Высоковольтные варисторы: Для защиты оборудования в сетях среднего и высокого напряжения (киловольтный диапазон).

Схемы включения и применение в системах защиты

Варисторы применяются в трех основных конфигурациях:

Между фазой и землей (L-G, N-G): Защита от перенапряжений, вызванных грозовыми разрядами или заносом высокого потенциала.
Между фазой и фазой/нейтралью (L-N): Защита от коммутационных перенапряжений внутри сети.
Между линиями передачи данных/сигнальными линиями и землей: Защита портов ввода-вывода.

В комплексных системах защиты (УЗИП – устройство защиты от импульсных перенапряжений) варисторы используются на 2-й (ограничитель) и 3-й (дограничитель) ступенях защиты, часто в комбинации с газовыми разрядниками (1-я ступень) и TVS-диодами.

Деградация, старение и обеспечение надежности

Варистор – компонент с ограниченным ресурсом. Каждый мощный импульс вызывает микроскопические повреждения в керамике, что приводит к постепенному снижению классификационного напряжения V_N и росту тока утечки. При превышении порога энергии происходит тепловой пробой: варистор переходит в проводящее состояние и, если не отключен от цепи, перегревается вплоть до возгорания.

Для предотвращения пожара и выхода оборудования из строя варисторы применяют с тепловым разъединителем (термопредохранителем), который физически отключает варистор от цепи при его перегреве. Второй метод – использование варисторных сборок с индикатором состояния (окно меняет цвет) или с механическим отключающим устройством.

Сравнение с другими устройствами защиты от перенапряжений

Параметр	Варистор (ZnO)	Газовый разрядник (GDT)	TVS-диод (полупроводниковый ограничитель)
Принцип действия	Неомическая проводимость	Газовый разряд в плазме	Лавинный пробой p-n перехода
Быстродействие	Десятки наносекунд	Сотни наносекунд – микросекунды	Пикосекунды
Емкость	Высокая (пФ – нФ)	Очень низкая (пФ)	Средняя-высокая (десятки – сотни пФ)
Макс. поглощаемая энергия/ток	Очень высокие	Высокие	Низкие
Ресурс (число срабатываний)	Ограничен, деградация	Высокий	Высокий
Типовое применение	2-3 ступень УЗИП, защита сетевого входа	1-я ступень УЗИП, антенные линии	Защита высокоскоростных линий, низковольтных цепей питания

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Как правильно выбрать классификационное напряжение V_N для сети 230 В?

Для надежной работы в длительном режиме и предотвращения перегрева необходимо выполнение условия: V_RMS варистора ≥ 1.25

U_сети. Для сети 230 В RMS пиковое напряжение составляет ~325 В. С учетом возможных длительных перенапряжений в сети (до +10%) и необходимости запаса выбирают варистор с V_RMS = 275 В или 300 В. Соответствующее ему V_N (при 1 мА) будет примерно в √2 раза больше, т.е. в диапазоне 385-430 В. Типовой выбор – варистор с V_N = 430 В.

Почему варистор после срабатывания иногда имеет низкое сопротивление и греется?

Это признак необратимой деградации или теплового пробоя. Мощность импульса превысила максимальную поглощаемую энергию (W_max) варистора, что привело к образованию проводящего канала в керамике. В таком состоянии варистор представляет собой короткое замыкание и, если не отключен предохранителем или тепловым разъединителем, будет потреблять ток от сети, перегреваться и может вызвать пожар.

Можно ли использовать варистор для точного ограничения напряжения, например, в стабилизаторах?

Нет. Вольт-амперная характеристика варистора не является точной и стабильной. Точка «срабатывания» имеет разброс, зависит от температуры и истории воздействия импульсов. Для точного ограничения напряжения применяются стабилитроны (Zener diodes) и TVS-диоды с четко заданным напряжением пробоя.

Как влияет собственная емкость варистора на работу схемы?

Высокая емкость (особенно у низковольтных MLV-варисторов) может существенно шунтировать высокочастотные сигналы, вызывая их затухание и искажение. Поэтому для защиты высокоскоростных цифровых (USB 3.0, Gigabit Ethernet) или ВЧ-линий необходимо выбирать специализированные низкоемкостные варисторы (емкостью 1-2 пФ) или комбинировать их с другими типами защиты (например, супрессорами на основе подавителей переходных процессов).

Что важнее при выборе: максимальный импульсный ток или максимальная поглощаемая энергия?

Оба параметра критичны и взаимосвязаны. Максимальный импульсный ток (I_PP) определяет способность варистора выдержать пиковую нагрузку без механического разрушения. Максимальная поглощаемая энергия (W) определяет способность рассеять всю энергию импульса без теплового разрушения. При коротком импульсе с высоким пиком лимитирует I_PP. При длительном импульсе (например, 10/1000 мкс) или серии импульсов лимитирует W. В паспортных данных указываются оба параметра для стандартных форм импульсов.

Как проверить исправность варистора мультиметром?

В состоянии покоя исправный варистор должен показывать очень высокое сопротивление (в режиме измерения сопротивления – «обрыв»), так как рабочее напряжение мультиметра недостаточно для его открытия. Низкое сопротивление (единицы-сотни Ом) указывает на пробой. Частичную деградацию (рост тока утечки) обычным мультиметром выявить сложно, для этого требуется подать напряжение, близкое к V_N, и измерить ток. Также можно измерить емкость: значительное отклонение от типового значения может косвенно указывать на проблему.

Заключение

Варисторы на основе оксида цинка остаются одним из наиболее эффективных, экономичных и массовых средств защиты от импульсных перенапряжений в силовых и низковольтных цепях. Корректный выбор компонента, основанный на анализе параметров классификационного напряжения, максимальных рабочих напряжений, импульсного тока и поглощаемой энергии, а также учет необходимости резервирования и применения тепловой защиты, являются обязательными условиями для создания надежных и безопасных электротехнических и электронных систем. Понимание процессов деградации и комбинирование варисторов с другими защитными элементами в рамках концепции каскадной защиты (УЗИП) позволяет достичь максимального уровня устойчивости оборудования к воздействию перенапряжений различной природы.