Варисторы (ограничители перенапряжений)

Варисторы – это нелинейные резисторы, сопротивление которых зависит от напряжения, изготовляемые из оксидов металлов (преимущественно ZnO – оксид цинка). Их вольт-амперная характеристика в рабочем диапазоне приблизительно описывается уравнением

I = K∙U ^a,                                               (2.33)

где K –  коэффициент, зависит от размеров (площади таблетки и ее толщины);

   а  – показатель, зависящий от материала.

Для применяемых в настоящее время металлооксидных варисторов на базе оксида цинка значение а находится в пределах от 25 до 40.

 Вольт-амперная характеристика варистора симметрична и подобна характеристике встречно включенных диодов Зенера (рис. 2.32, а).

     Эффект ограничения напряжения основан на том, что при превышении рабочего напряжения, рассчитанного по (2.33), сопротивление

                                      R = 1 /K∙U ^{a- 1}

уменьшается на много порядков (рис. 2.32, б).

В паспортах на варисторы нелинейная зависимость сопротивления чаще всего дается в двойном логарифмическом масштабе, благодаря чему характеристики принимают форму прямых, изображенных на рис. 2.32, б. За пределами рабочего диапазона (при экстремально больших или малых токах) появляются отклонения от степенной зависимости, которые возникают по причине не зависящего от напряжения остаточного сопротивления внутри зерен или от внешних токов утечки.

Схема замещения варистора изображена на рис. 2.33. В то время как изменение сопротивления на границах зерен ZnО(скачок напряжения на границе каждого зерна равен примерно 3...5 В) происходит в субнаносекундном диапазоне, из-за индуктивности выводов L _пари явлений поверхностного эффекта постоянные времени реальных изделий находятся в наносекундном диапазоне.

Собственная емкость варистора С _пар (относительная диэлектрическая проницаемость ε_r = 1200) велика и находится в диапазоне от 40 до 40000 пФ, причем  большие  значения  имеют  место  при низких рабочих  напряжениях  и высокой  нагрузочной способности по импульсному току. Влияние емкости препятствует применению варисторов на высокой частоте (исключение – последовательное включение варисторов с диодами меньшей емкости). В силовой электротехнике варисторы обычно именуют ограничителями напряжений нелинейными (ОПН).

Подробные указания по применению варисторов следует брать из каталогов различных изготовителей. Варисторы бывают дисковой или блочной конструкции для больших токов и энергий в виде компонентов модульных устройств либо имеют трубчатую конструкцию для штепсельных разъемов.. Следует также упомянуть, что имеются варисторы из других зависящих от напряжения материалов, например карбида кремния (большая мощность), которые по сравнению с ограничителями из ZnО находят меньшее применение. Карбид кремния применяется при высоких требованиях к стабильности в течение длительного времени. Его недостатком является низкий показатель нелинейности (а = 2...7).