Varistory jako prostředek ochrany elektronických zařízení.

Spolehlivost elektronických zařízení je do značné míry určena kvalitou napájecích sítí, v nichž může docházet k přepětí trvajícímu od stovek milisekund do několika sekund, poklesům napětí trvajícím až desítky milisekund, výpadkům proudu (výpadek napětí po dobu delší než jednu periody) atd. Podle statistik tvoří poklesy napětí 12 %, přepětí 2 %, poklesy napětí 57 %, vysokonapěťové přepětí 16 % a vysokofrekvenční šum 13 %. Obzvláště nebezpečné jsou vysokonapěťové impulsy s amplitudou až několik kilovoltů a trváním desítek nanosekund až stovek mikrosekund. Mohou vést k vážným poruchám elektronických zařízení a jejich poruše, stejně jako způsobit průraz izolace vodičů a dokonce i jejich vznícení.

Napěťové impulsy, které lze připsat vnějšímu rušení sítě (obr. 1), se vyskytují v obvodech různých zařízení, především v napájecích vodičích.

Mohou být indukovány elektromagnetickými impulsy umělého původu z vysílacích rádiových stanic, vedení vysokého napětí, elektrifikovaných železničních sítí, elektrických svářeček. Je téměř nemožné identifikovat a systematizovat příčiny takového rušení. Pro domácí elektrické sítě s napětím 220 V jsou však akceptovány následující přibližné parametry vnějších impulsních napětí: amplituda – do 6 kV; frekvence – 0.05 MHz; trvání – 5 μs. Mohou být přírodního původu a indukovány silnými výboji blesku. Mohou být vytvořeny statickým napětím, jehož výboj dosahuje 0.1 kV. Vysokonapěťové impulsy mohou vznikat i v samotném zařízení během jeho provozu v důsledku přechodových procesů, při spouštění elektromagnetů, rozpojování kontaktů relé, spínání reaktivních zátěží atd. Největší hrozbu představují impulsy, které vznikají při odpojení indukční zátěže.

Z výše uvedených důvodů musí být radioelektronická zařízení chráněna před vysokonapěťovým impulzním rušením. Aby bylo zařízení certifikováno, musí projít zkouškou odolnosti vůči impulznímu rušení. Například GOST R 51317.4.4-99 (IEC 61000-4-4-95) se vztahuje na elektrické, elektronické a radioelektronické výrobky a stanoví požadavky a metody pro jejich zkoušení odolnosti vůči nanosekundovému impulznímu rušení (NII).

V současné době se k ochraně elektronických zařízení před vnějšími pulzními vlivy používají různé typy stínění, RC a LC filtry, plynové výbojky (svodiče) a polovodičové omezovače napětí. Svodiče nemají požadovanou rychlost a vysokorychlostní polovodičové omezovače napětí s vysokou nelinearitou voltampérové charakteristiky nejsou schopny rozptylovat vysoký výkon kvůli malému objemu pn přechodu. To omezuje hodnotu přípustného proudu v pulzu protékajícím zařízením.

Varistory z oxidu zinečnatého jsou považovány za nejúčinnější prostředek ochrany zařízení před jakýmkoli pulzním napětím. Varistory jsou nelineární rezistory, jejichž odpor závisí na aplikovaném napětí. Charakteristickým rysem varistoru je oboustranně symetrická a ostře vyjádřená nelineární voltampérová charakteristika (obr. 2).

Elektrické vlastnosti varistoru jsou určeny vysokým svodovým odporem a kapacitou, která se mírně mění vlivem napětí a teploty. Při vysokých napětích na varistoru, a tedy i vysokých proudech procházejících jím, je hustota proudu v bodových kontaktech také vysoká. Zahřívání bodových kontaktů vede ke snížení jejich odporu a v důsledku toho k nelinearitě voltampérové charakteristiky.

Malé objemy aktivních oblastí zajišťují nízkou setrvačnost tepelných procesů, což určuje jejich vysokou rychlost. Spolu s tím jsou varistory schopny dobře absorbovat vysokoenergetické napěťové impulsy, protože tepelná energie se rozptyluje nikoli na jednotlivých zrnech polovodiče, ale na celém jeho objemu. Charakteristickým znakem voltampérové charakteristiky varistoru je přítomnost úseku nízkých proudů (podmíněně od nuly do několika miliampérů), ve kterém se nachází provozní bod varistoru, a úseku vysokých proudů, který určuje ochranné vlastnosti a zejména mezní napětí. U varistorů na bázi oxidu zinečnatého je koeficient nelinearity obvykle 20. Varistory mají v provozním režimu (bez napěťových impulsů) poměrně velkou kapacitu (60 pF). Po vystavení impulsu jejich kapacita klesá téměř na nulu.

Jednou z nejdůležitějších charakteristik varistoru je klasifikační napětí – napětí na varistoru při proudu 1 mA. Někdy se uvádí ochranný faktor varistoru – poměr napětí na varistoru při proudu 100 A k napětí při proudu 1 mA (tj. ke klasifikačnímu napětí). Charakterizuje schopnost varistoru omezovat přepěťové impulsy a u varistorů z oxidu zinečnatého se pohybuje v rozmezí 1,4–1,6. Se zvýšením napětí 1,4–1,6násobkem se tedy proud protékající varistory zvyšuje 100 000krát.

Důležitou charakteristikou varistoru je jeho přípustný disipační výkon, určený jeho geometrickými rozměry a konstrukcí vývodů. Pro zvýšení disipačního výkonu se často používají masivní vývody, které fungují jako zářič.

Když se objeví vysokonapěťový impulz, odpor varistoru prudce klesne na zlomky ohmu a přemostí zátěž, čímž ji chrání a absorbovanou energii rozptyluje jako teplo. Současně může varistorem protékat pulzní proud až o velikosti několika tisíc ampérů. Protože varistor je prakticky bez setrvačnosti, po zmizení rušení se jeho odpor opět zvýší. Paralelní připojení varistoru k chráněnému zařízení tedy neovlivní jeho provoz za normálních podmínek, ale potlačí nebezpečné napěťové impulzy (obr. 3).

Volba typu varistoru je založena na analýze jeho provozu ve dvou režimech: provozním a pulzním. Provozní režim je určen klasifikačním napětím U. _cl a pulzní je rozptýlený výkon. Pro přibližné výpočty se doporučuje, aby provozní stejnosměrné napětí na varistoru nepřekročilo 0,85 U. _KЛ a při střídavém proudu efektivní hodnota provozního napětí nepřekročila 0,6 U _cl .

V pulzním režimu protéká varistorem velký proud, a proto je nutné dávat pozor na jeho selhání v důsledku přehřátí. Pro tento účel je nutné použít varistory s větším rozptylovým výkonem, než je vypočítaný.

Pro výpočet varistorů, které chrání určité obvody před výbojem blesku, se někdy uvádějí informace o napětí na varistoru při vystavení standardnímu bleskovému impulsu. Obr. 4 znázorňuje tvar tohoto impulsu, který se často nazývá „impulz 8/20 μs“.

Varistory samozřejmě mohou pracovat i při sériovém zapojení. V tomto případě jimi protéká stejný proud a celkové napětí se dělí úměrně odporům (v první aproximaci – klasifikační napětí), absorbovaná energie se dělí ve stejném poměru. Je obtížnější zajistit paralelní provoz varistorů – je nutná striktní shoda jejich voltampérových charakteristik. Tento problém je docela dobře řešitelný sériovo-paralelním schématem zapojení – tj. varistory se postupně sestavují do sloupců a sloupce se zapojují paralelně. V tomto případě výběr varistorů zajišťuje shodu voltampérových charakteristik sloupců, které se sestavují do bloků s požadovanými parametry. Varistory se vyrábějí ve standardním provedení (kotoučové, obdélníkové), ve formě bloků různých tvarů a ve formě čipů, což umožňuje výrazně ušetřit místo na desce plošných spojů. Domácí podniky vyrábějí varistory pro různé aplikace, jedná se o řady SN, VR, MChVN/VS, MOVN/VS a další; Mezi zahraničními výrobci varistorů vyrábí společnost EPCOS širokou škálu. Zařízení mají následující systém označování (obr. 5):

Pro účinnou ochranu zařízení před účinky různého síťového rušení je nutné používat síťové filtry s vícestupňovou ochranou. Například v síťovém filtru by masivní tyčové induktory měly zajišťovat filtrování elektromagnetického rušení, varistory z oxidu zinečnatého zajišťovat obecné a normální režimy ochrany před vysokonapěťovými impulzy a kondenzátory filtrovat vysokofrekvenční rušení a kompenzovat střední a slabé kolísání napětí. Tabulky 1 a 2 ukazují parametry varistorů z oxidu zinečnatého vyráběných společností EPCOS.