23. Тиристоры, варисторы, термисторы.
Тиристор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с четырёхслойной структурой р-n-p-n-типа, обладающий в прямом направлении двумя устойчивыми состояниями — состоянием низкой проводимости (тиристор заперт) и состоянием высокой проводимости (тиристор открыт). В обратном направлении тиристор обладает только запирающими свойствами. Т.е тиристор — это управляемый диод. Тиристоры подразделяются на тринисторы, динисторы и симисторы. Перевод тиристора из закрытого состояния в открытое в электрической цепи осуществляется внешним воздействием на прибор: либо воздействие напряжением (током), либо светом (фототиристор). Тиристор имеет нелинейную разрывную вольтамперную характеристику (ВАХ).
Варистор — полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление (проводимость) которого нелинейно зависит от приложенного напряжения, т. е. обладающий нелинейной симметричной вольт-амперной характеристикой и имеющий два вывода. Нелинейность характеристик варисторов обусловлена локальным нагревом соприкасающихся граней многочисленных кристаллов карбида кремния (или иного полупроводника). При локальном повышении температуры на границах кристаллов сопротивление последних существенно снижается, что приводит к уменьшению общего сопротивления варисторов.
Термистор — полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого существенно убывает или возрастает с ростом температуры. Для термистора характерны большой температурный коэффициент сопротивления (ТКС) (в десятки раз превышающий этот коэффициент у металлов), простота устройства, способность работать в различных климатических условиях при значительных механических нагрузках, стабильность характеристик во времени. Терморезистор изготовляют в виде стержней, трубок, дисков, шайб, бусинок и тонких пластинок преимущественно методами порошковой металлургии; их размеры могут варьироваться в пределах от 1—10 мкм до 1—2 см. Основными параметрами терморезистора являются: номинальное сопротивление, температурный коэффициент сопротивления, интервал рабочих температур, максимально допустимая мощность рассеяния.
24. Фоторезисторы фотодиоды
Фоторезистор — полупроводниковый прибор, изменяющий величину своего сопротивления при облучении светом.
Для изготовления фоторезисторов используют полупроводниковые материалы с шириной запрещенной зоны, оптимальной для решаемой задачи. Так, для регистрации видимого света используются фоторезисторы из селенида и сульфида кадмия, Se. Для регистрации инфракрасного излучения используются Ge (чистый или легированный примесями Au, Cu или Zn), Si, PbS, PbSe, PbTe, InSb, InAs, HgCdTe, часто охлаждаемые до низких температур. Полупроводник наносят в виде тонкого слоя на стеклянную или кварцевую подложку или вырезают в виде тонкой пластинки из монокристалла. Слой или пластинку полупроводника снабжают двумя электродами и помещают в защитный корпус.
Важнейшие параметры фоторезисторов:
интегральная чувствительность — отношение изменения напряжения на единицу мощности падающего излучения (при номинальном значении напряжения питания);
порог чувствительности — величина минимального сигнала, регистрируемого фоторезистором, отнесённая к единице полосы рабочих частот.
Фотодиод — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.
Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n- области, за счёт чего образуется заряд (ЭДС)) называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p- и n- находится слой изолятора i. p-n и p-i-n фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов.
О роли варисторов/терморезисторов в блоках питания
Качественные блоки питания обеспечивают долговременную надежную и безаварийную работу вычислительного оборудования и другой техники.
Так как при майнинге используются мощные импульсные источники питания, питающие дорогостоящее оборудование, то их выход из строя влечет за собой весьма неприятные последствия.
В связи с этим стоит разобраться с некоторыми особенностями их работы, которые помогут избежать поломок, вызванных непониманием процессов, происходящих внутри импульсных источников питания.
Переходные процессы в радиоэлектронной аппаратуре и вычислительной технике
При эксплуатации любых электрических приборов в момент переключения возникают нелинейные переходные процессы, которые в некоторых случаях незаметны, а иногда приводят к выходу устройства из расчетного режима работы, что сопровождается повышенной нагрузкой на его элементы и может привести их к выходу из строя.
Переходные процессы всегда возникают в момент коммутации цепей с нагрузкой, имеющей индуктивный и/или емкостной характер. В большинстве случаев они являются вредными для работы устройства, поэтому конструкторы аппаратуры обычно предпринимают меры для их сведения до минимума.
Так как любой участок цепи имеет в той или иной мере LC-параметры, то нелинейные процессы всегда происходят в любой электронике. В мощных блоках питания, использующихся для майнинга, установлены конденсаторы и катушки большой емкости/индуктивности, поэтому переходные процессы в них могут быть очень значительными.
Кратковременный всплеск переменного напряжения, значительно превышающий нормальное значение:
Во время включения в работу блока питания большой мощности в его контурах протекают импульсы тока огромной величины. Всплески напряжения, вызванные переходными процессами, могут многократно превышать номинальное напряжение, протекающее в сети.
Всплески напряжения (voltage spikes), возникающие на графике синусоидального переменного напряжения, вследствие переходных процессов (transients):
Для борьбы со всплесками напряжения в момент включения блоков питания в них устанавливаются специальные защитные элементы. Они обычно справляются со своей ролью, но иногда, при нештатных ситуациях, не справляются со своими задачами. Чтобы не допускать их возникновения (или хотя бы свести до минимума), нужно знать принципы работы, назначение и состав защитных элементов на входе импульсного блока питания.
Зачем нужны защитные цепи на входе импульсных блоков питания
В качественных импульсных блоках питания обычно устанавливаются входные цепи, которые решают ряд проблем, среди которых:
Для защиты входных цепей блока питания от всплесков напряжения и тока используются варисторы (varistors) и термисторы, а также предохранители, варисторы, а также разрядники (surge arresters).
MOV-варистор и термисторы с позитивным и негативным коэффициентом сопротивления:
Как обеспечивается защита от всплесков напряжения и тока на входе блока питания?
За защиту от всплесков напряжения на входе импульсного БП в рабочем режиме обычно отвечают варисторы и разрядники. Для защиты от бросков тока на входе применяют предохранители, а также термисторы.
Простейшая схема включения защитного варистора в блоке питания:
Схема включения защитных элементов на входе импульсного источника тока с применением варисторов и разрядников:
Варистор — что это?
Варистор — это резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от приложенного напряжения. В нормальных условиях оно очень большое (мегаОмы) и не оказывает особого влияния на работу электрической цепи при параллельном включении.
Вольт-амперная характеристика варистора:
При значительном повышении напряжения на варисторе сопротивление падает, это приводит к поглощению энергии всплеска и выделении ее в виде тепла.
Варисторы нужны для защиты радиоэлектронных устройств от бросков высокого напряжения за счет того, что их сопротивление резко падает с увеличением поданного на них напряжения:
Это спасает другие компоненты от выхода из строя, хотя иногда приводит к выгоранию самого варистора, спасающего своим героическим поведением более дорогие электронные элементы. Варисторы устанавливаются на входе БП перед диодным выпрямителем, так как они дополнительно выполняют фильтрующую функцию — гашение помех, возникающих при выключении диодного моста.
Варистор TVR 14471 на входе блока питания Be Quiet Dark Power Pro мощностью 1200 ватт с платиновым сертификатом:
Для чего в блоке питания применяются термисторы?
Термистор — это резистор, изменяющий свое сопротивление из-за температуры.
В блоках питания обычно используют термисторы с негативным температурным коэффицентом (NTC, Negative Temperature Coefficient), включенные последовательно с нагрузкой. В холодном состоянии они имеют сопротивление 6-12 Ом, поэтому при включении блока питания происходит их разогрев. Из-за нагрева сопротивление NTC-термисторов падает до 0.5-1 Ома и они уже не оказывают существенного влияния на работу устройства.
В дорогих блоках питания после успешного старта блока питания термисторы отключаются, ток начинает проходить через проводник с нулевым сопротивлением, что обеспечивает холодное состояние термистора (постоянную готовность к повторному включению БП), а также экономит электроэнергию, которая попусту рассеивается во время работы источника питания в штатном режиме.
Благодаря тому, что термистор принимает на себя «часть удара» в момент включения, остальные компоненты не страдают.
Простейшая схема включения защитного термистора на входе блока питания:
Варисторы обеспечивают защиту высоковольтной части блока питания от всплесков напряжения, а термисторы — от большого тока.
Варистор VZ1 и термистор TR101 на схеме блока питания Chieftec APS-550S мощностью 550W:
К чему может привести экономия на варисторах и термисторах в блоке питания?
В бюджетных блоках питания производители экономят на элементной базе и не устанавливают варисторов. Для защиты таких БП стоит использовать сетевые фильтры или UPS, имеющие в своем составе варисторы. Стоимость такой защиты оправдана значительным снижением возможного ущерба, который может появится в случае сгорания источника питания, питающего дорогостоящий компьютер.
В некоторых случаях защита от всплесков напряжения/тока, обеспечивающаяся варисторами и термисторами, не срабатывает. Это может происходит в случае неисправности варистора/термистора, а также если такой элемент нагрет и производится его включение расчете на его состояние при обычной температуре. Ситуация с медленным остыванием защитных варисторов (термисторов) может возникнуть в случае слишком быстрого повторного включения работавшего блока питания.
Если термистор не успевает остыть после выключения БП, то в момент повторной подачи высокого напряжения защита, обеспечиваемая гашением энергии на его высоком сопротивлении, не обеспечивается. Это может привести к плачевным последствиям.
Нагретый варистор не поглощает энергию импульса, появляющегося в момент включения из-за заряда емкостей электролитических конденсаторов и накопления энергии в индуктивностях, что обычно приводит к пробою транзисторов в высоковольтной части БП.
Благодаря этому, импульс высокого напряжения, поступающий на защищаемое устройство, гасится на варисторе. При сильном нагреве варистора в нем могут произойти необратимые изменения, приводящие к пробою или обрыву.
Пример платы дешевого блока питания Green Vision GV-PS S400:
Как определить исправность варисторов и термисторов?
На схемах блоков питания варисторы и термисторы имеют похожие обозначения в виде резистора с корпусом, перечеркнутым «клюшкой». Варисторы обычно стоят параллельно источнику тока и маркируются обозначением VR:
Термисторы обозначаются похоже:
Термисторы обычно включаются последовательно с нагрузкой, их сопротивление значительно меньше варисторов.
Проверка исправности варистора/термистора состоит в проведении двух действий:
- визуальный осмотр на наличие повреждений, следов прогара, взудтий и прочих безобразий;
- проверка сопротивления омметром — исправный варистор должен иметь большое сопротивление (несколько мегаОм) в обоих направлениях при комнатной температуре, терморезистор на входе блока питания — несколько Ом. При прозвонке варистора следует обращать внимание на место его установки. Если параллельно ему включены другие электронные элементы, то проверять сопротивление нужно после выпаивания варистора с платы.
Что делать майнерам для сведения к минимуму проблем из-за переходных процессов в блоках питания?
При наладке компьютеров, в том числе использующихся для майнинга, иногда возникают ситуации, когда из-за зависания системы приходится часто принудительно выключать-включать блок питания. В этом случае стоит делать перерыв на несколько минут перед повторным включением блока питания, чтобы он успел остыть. Это одинаково важно и для дорогих блоков питания, в которых установлен полный набор защитных элементов, включая варисторы и терморезисторы. Это связано с тем, что они не успевают восстановиться в случае очень быстрого повторного включения устройства с горячими внутренними компонентами.
При выборе блоков питания следует обращать внимание на наличие в них цепей защиты. Наличие варистора на входе источника питания обычно свидетельствует о стремлении его изготовителей обеспечить высокое качество и надежность изделия.
Если в использующемся на компьютере блоке питания не установлены входные защитные цепи, содержащие варисторы, блокировочные конденсаторы и термисторы, то стоит дополнительно установить качественный сетевой фильтр-удлинитель, содержащий хотя бы минимальный набор элементов, включающий варистор.
Фотография платы качественного сетевого фильтра с варисторами:
Варистор синего цвета на входе сетевого фильтра среднего качества:
Дешевый, якобы сетевой фильтр, на самом деле являющийся простым удлинителем/разветвителем с выключателем (не содержит варисторов и других защитных элементов):
При покупке входного фильтра следует учитывать, что большинство устройств, продаваемых в торговых сетях под таким названием на самом деле являются простыми удлинителями/разветвителями розеток, в лучшем случае содержащими узел защиты от короткого замыкания. Элементы защиты от бросков напряжения содержатся только в единицах из них.
В случае перебоев в работе компьютеров (не только тех, которые используются для майнинга), стоит дать время на остывание устройства перед его очередным включением. В противном случае еще не успевшие остыть защитные элементы не смогут выполнить свою функцию, что с большой степенью вероятности приведет к поломке.
Вам также может понравиться
О некоторых особенностях работы аппаратных сторожевых таймеров
27 февраля, 2020 
Варистор варистору рознь: надежная защита от скачков напряжения
Варисторы – надежное средство для подавления скачков напряжения в первичных электрических цепях. Компания Littelfuse выпускает широкую линейку этих изделий, состоящую из нескольких серий, в числе которых – лидеры отрасли по рассеиваемой энергии, индустриальные варисторы серии C-III.
Чтобы быть уверенным в надежном функционировании разрабатываемого устройства, нужно уже на ранних этапах разработки продумать подавление скачков напряжения. Это может быть комплексной задачей, потому что электронные компоненты очень чувствительны к переходным процессам. Разработчик должен определить тип угрозы, из-за которой могут возникать скачки напряжения, и то, каким стандартам должно соответствовать устройство, исходя из области его применения. Варисторы чаще всего применяются для подавления скачков напряжения в первичных цепях. Компаний-производителей варисторов на рынке немало. Рассмотрим различные типы варисторов, остановимся на их физической сущности и сравним варисторы лидера рынка защитных компонентов – компании Littelfuse – с варисторами других популярных производителей – Epcos и Fenghua.
Варистор – электронный прибор, сопротивление которого нелинейно меняется с изменением подаваемого на него напряжения, его вольт-амперная характеристика (ВАХ) схожа с ВАХ двунаправленных диодов Зенера. Варистор состоит, в основном, из оксида цинка ZNO с небольшим содержанием висмута, кобальта, магния и других элементов. Варистор из оксида металла (Metal Oxide Varistor или MOV) спекается в процессе производства в керамический полупроводник с кристаллической микроструктурой, которая позволяет рассеивать очень большие энергии, поэтому варисторы часто используются для защиты от скачков напряжения, вызванных ударами молний, связанных с переходными процессами, с индуктивными нагрузками, электростатическими разрядами в цепях переменного и постоянного тока, а также в промышленных линиях питания. Помимо этого, варисторы используются в сетях с постоянным напряжением, например, в низковольтных источниках питания или автомобильных цепях. Процесс производства варисторов позволяет придать им разнообразную форму. Однако наиболее распространенным форм-фактором варисторов является диск c радиальными выводами.
Характеристики варистора
Тело варистора представляет собой изотропную гранулярную структуру оксида цинка ZnO (рисунок 1). Гранулы отделены друг от друга, и их граница разделения имеет ВАХ, схожую с p-n-переходом в полупроводниках. Эти границы при низких напряжениях имеют очень низкую проводимость, которая нелинейно увеличивается с увеличением напряжения на варисторе.
Рис. 1. Фотография гранулярной структуры варистора, сделанная с помощью электронного микроскопа
Симметричная ВАХ показана на рисунке 2. Благодаря ей варистор отлично справляется с подавлением скачков напряжения. Когда они появляются в цепи, сопротивление варистора уменьшается во множество раз: от почти непроводящего состояния до высокопроводящего, уменьшая импульс напряжения до безопасного для цепи значения. Таким образом, потенциально опасная для элементов цепи энергия входного импульса напряжения абсорбируется варистором и защищает компоненты, чувствительные к скачкам напряжения.
Рис. 2. Симметричная ВАХ варистора
В местах соприкосновения микрогранул варистора возникает эффект проводимости. Так как количество гранул в объеме варистора очень велико, абсорбируемая варистором энергия значительно превышает энергию, которая может пройти через единичный p-n переход в диодах Зенера. В процессе прохождения тока через варистор весь проходящий заряд равномерно распределяется по всему объему. Таким образом, количество энергии, которую может абсорбировать варистор, напрямую зависит от его объема. Величина рабочего напряжения варистора и максимального тока зависят от расстояния между электродами, между которыми находятся гранулы оксида цинка. Однако есть множество других технологических моментов, которые обуславливают эти электрические параметры: технология гранулирования и спекания, влияющая на размер гранул и их площадь соприкосновения, присоединение металлических выводов, покрытие варистора, легирующие добавки. Например, диапазон рабочих температур дисковых варисторов зависит от типа покрытия диска: у варисторов с эпоксидным покрытием диапазон -55…85°С, у фенолового покрытия, встречающегося у варисторов Littelfuse серии C-III, этот диапазон расширен до 125°С. Также расширенный диапазон рабочих температур имеет большинство серий варисторов для поверхностного монтажа.
Рассмотрим подробнее принцип работы варистора.
В его корпусе между металлическими контактами находятся гранулы со средним размером d (рисунок 3).
Рис. 3. Схематическое изображение микроструктуры металл-оксидного варистора
Токопроводящие гранулы оксида цинка со средним размером гранулы d разделены между собой межгранулярными границами.
При разработке варистора для заданного номинального напряжения Vn основным параметром является количество гранул n, заключенных между контактами, что, в свою очередь, влияет на размер варистора. На практике его материал характеризуется градиентом напряжения В/мм, измеренном в коллинеарном направлении с нормалью к плоскости варистора. Для контроля состава и условий производства градиент должен быть постоянным. Так как физические размеры варистора имеют определенные пределы, то сочетание примесей в составе прибора позволяет достичь заданного размера гранул и нужного результата.
Фундаментальным свойством ZnO-варистора является его практически постоянное падение напряжения на границах гранул во всем объеме. Наблюдения показывают, что вне зависимости от вида варистора, падение напряжения на границе соприкосновения гранул всегда составляет 2…3 В. Падение напряжения на границах гранул не зависит и от размера самих гранул. Таким образом, если опустить разные способы производства и легирования оксида цинка, то напряжение варистора будет зависеть от его толщины и размера гранул. Эта зависимость может быть легко выражена в следующем виде (формула 1):
alt=»49954″ width=»300″ height=»49″ />, (1)
где d – средний размер гранулы.
,
получаем данные, представленные в таблице 1.
Таблица 1. Зависимость структурных параметров варистора от напряжения
Напряжение варистора Vn – это напряжение на вольт-амперной характеристике, где происходит переход из слабопроводящего состояния на линейном участке графика в нелинейный режим высокопроводящего состояния. По общей договоренности для стандартизации измерений был выбран ток 1 мА.
Несмотря на то, что варисторы могут за несколько микросекунд абсорбировать большое количество энергии, они не могут продолжительно находиться в проводящем состоянии. Поэтому в некоторых случаях, когда, например, напряжение в сети на продолжительное время увеличивается до уровня срабатывания, варистор начинается сильно греться. Его перегрев может закончиться возгоранием (рисунок 4). Для защиты от этого стали применяться термисторы. Варистор со встроенным термистором защищен от перегрева, что продлевает его срок службы и защищает устройство от возможного возгорания.
Рис. 4. Результат увеличения напряжения в сети на продолжительное время
Проведем сравнительный анализ наиболее популярных варисторов производства компаний Littelfuse, Epcos и Fenghua с рабочим напряжением 250 и 275 В (АС rms) и диаметром диска 10, 14 и 20 мм.
Как видно из таблицы 2, рассеиваемая варистором энергия зависит не только от его размеров, но и от технологии производства и материалов, которые использованы для выпуска серии. Заметим, что серия индустриального класса С-III производства компании Littelfuse вышла на первое место, серия UltraMOV тоже показала очень высокие характеристики, оказавшись на уровне конкурентов – серии Advanced производства Epcos. Также можно отметить, что варисторы C-III при меньшем габарите (D = 14 мм) имеют большую энергию рассеивания, чем стандартные серии конкурентов, имеющие большие размеры (D = 20 мм), а разница в рассеиваемой энергии между качественными варисторами в корпусе D = 20 мм и стандартными варисторами в корпусе D = 10 мм может отличаться на порядок.
Таблица 2. Сравнительный анализ наиболее популярных варисторов производства компаний Littelfuse, Epcos и Fenghua
| Наименование | Производитель | Серия | D, мм | VRMS, В | Imax (8/20 мкс), А | Wmax (2 мс), Дж |
| V275LA40CP | Littelfuse | C-III | 20 | 275 | 10000 | 320 |
| V250LA40CP | Littelfuse | C-III | 20 | 250 | 10000 | 300 |
| B72220S2271K101, S20K275E2 | Epcos | AdvanceD | 20 | 275 | 10000 | 215 |
| B72220S2251K101, S20K250E2 | Epcos | AdvanceD | 20 | 250 | 10000 | 195 |
| V20E275P | Littelfuse | UltraMOV® | 20 | 275 | 6500 | 190 |
| V20E250P | Littelfuse | UltraMOV® | 20 | 250 | 6500 | 170 |
| B72220S0271K101, S20K275 | Epcos | StandarD | 20 | 275 | 8000 | 151 |
| V275LA20CP | Littelfuse | C-III | 14 | 275 | 6500 | 145 |
| FNR-20K431 | Fenghua | General | 20 | 275 | 6500 | 140 |
| B72220S0251K101, S20K250 | Epcos | StandarD | 20 | 250 | 8000 | 140 |
| V250LA20CP | Littelfuse | C-III | 14 | 250 | 6500 | 135 |
| FNR-20K391 | Fenghua | General | 20 | 250 | 6500 | 130 |
| B72214S2271K101, S14K275E2 | Epcos | AdvanceD | 14 | 275 | 6000 | 110 |
| V14E275P | Littelfuse | UltraMOV® | 14 | 275 | 4500 | 110 |
| B72214S2251K101, S14K250E2 | Epcos | AdvanceD | 14 | 250 | 6000 | 100 |
| V14E250P | Littelfuse | UltraMOV® | 14 | 250 | 4500 | 100 |
| FNR-14K431 | Fenghua | General | 14 | 275 | 4500 | 75 |
| B72214S0271K101, S14K275 | Epcos | StandarD | 14 | 275 | 4500 | 71 |
| FNR-14K391 | Fenghua | General | 14 | 250 | 4500 | 70 |
| V275LA10CP | Littelfuse | C-III | 10 | 275 | 3500 | 70 |
| B72214S0251K101, S14K250 | Epcos | StandarD | 14 | 250 | 4500 | 65 |
| V250LA10CP | Littelfuse | C-III | 10 | 250 | 3500 | 60 |
| B72210S2271K101, S10K275E2 | Epcos | AdvanceD | 10 | 275 | 3500 | 55 |
| V10E275P | Littelfuse | UltraMOV® | 10 | 275 | 2500 | 55 |
| B72210S2251K101, S10K250E2 | Epcos | AdvanceD | 10 | 250 | 3500 | 50 |
| V10E250P | Littelfuse | UltraMOV® | 10 | 250 | 2500 | 50 |
| FNR-10K431 | Fenghua | General | 10 | 275 | 2500 | 45 |
| B72210S0271K101, S10K275 | Epcos | StandarD | 10 | 275 | 2500 | 43 |
| FNR-10K391 | Fenghua | General | 10 | 250 | 2500 | 40 |
| B72210S0251K101, S10K250 | Epcos | StandarD | 10 | 250 | 2500 | 38 |
Обзор варисторов производства компании Littelfuse c разбивкой на серии и области применения представлен в таблице 3.
syp 12270 что это
Как проверить варистор мультиметром — пошаговая инструкция
От перепадов напряжения не застрахована ни одна электросеть, есть множество причин вызывающих это явление, начиная от перегрузки и заканчивая перекосом фаз. Такие броски способны вывести из строя бытовую технику, поэтому практически все современные электронные устройства имеют защиту. Если после очередного перепада в БП какого-нибудь прибора сгорел предохранитель, произведя его замену, не спешите включать технику. На всякий случай проверьте варистор на исправность тестером или мультиметром.
Прежде, чем перейти к тестированию, рекомендуем ознакомиться с кратким описанием варистора, особенностями его работы и характеристиками. Эта информация может быть полезной при поиске аналога, взамен вышедшего из строя элемента.
Внешний вид варисторов
Характеристики
Варистор представляет собой полупроводниковый резистор с нелинейной вольт-амперной характеристикой, ее график показан на рисунке 2.
Рис. 2. Типичные вольт-амперные характеристики: А – варистора, В – обычного резистора
Как видно из графика, когда напряжение на полупроводнике достигает порогового значения, резко увеличивается сила тока, что вызвано понижением сопротивления. Эта характеристика позволяет использовать варистор в качестве защиты от кратковременных скачков напряжения.
Принцип действия, обозначение на схеме, варианты применения
Внешне варистор очень похож на конденсатор, но его внутреннее устройство, как видно из рисунка 3, совершенное иное.
Рисунок 3. Конструкция варистора (1) и его обозначение на схемах (2)
Обозначения:
Помимо конструкции, на рисунке 3 показано обозначение элемента на принципиальных схемах (2).
Содержание оксида цинка в керамическом изоляционном слое определяет порог срабатывания варистора, как только напряжение станет выше допустимого, сопротивление резко снижается и проходящий через полупроводник ток увеличивается. Вырабатывающаяся в результате этого процесса тепловая энергия рассеивается в воздухе.
Такой принцип действия позволяет не допустить выход из строя электронных устройств при краткосрочном перепаде напряжения. Длительный импульс вызовет перегрев и разрушение варистора, но на этот процесс требуется время. Хоть оно исчисляется долями секунды, в большинстве случаев, этого достаточно для срабатывания плавкого предохранителя.
Именно поэтому после замены предохранителя необходимо проверять варистор (внешний осмотр и тестирование мультиметром). В противном случае, следующий перепад напряжения, с большой долей вероятности, приведет к разрушению компонентов электронного устройства.
Пример реализации защиты
На рисунке 4 показан фрагмент принципиальной схемы БП компьютера, на котором наглядно показано типовое подключение варистора (выделено красным).
Рисунок 4. Варистор в блоке питания АТХ
Судя по рисунку, в схеме используется элемент TVR 10471К, используем его в качестве примера расшифровки маркировки:
Можно встретить и более простую маркировку, например, К275, в этом случае К – это класс точности (10%), последующие три цифры обозначают величину действующего напряжения, то есть, 275 вольт.
Теперь, когда мы разобрались с основами, можно перейти к проверке варистора
Определяем работоспособность элемента (пошаговая инструкция)
Для данной операции нам потребуются следующие инструменты:
Когда все инструменты готовы, можно приступать к процедуре. Действуем по следующему алгоритму:
Важный момент! Прежде, чем измерить сопротивление, убедитесь, что пальцы не касаются стальных наконечников щупов, в этом случае прибор покажет сопротивление кожного покрова.
Что такое термистор, их разновидности, принцип работы и способы проверки на работоспособность
Сопротивление любого проводника в общем случае зависит от температуры. Сопротивление металлов с нагревом увеличивается. С точки зрения физики это объясняется увеличением амплитуды тепловых колебаний элементов кристаллической решетки и возрастанием сопротивления движения направленному потоку электронов. Сопротивление электролитов и полупроводников при нагреве уменьшается – это объясняют другими процессами.
Принцип работы термистора
Во многих случаях явление зависимости сопротивления от температуры вредное. Так, низкое сопротивление нити лампы накаливания в холодном состоянии служит причиной перегорания в момент включения. Изменение значения сопротивления постоянных резисторов при нагреве или охлаждении ведет к изменению параметров схемы.
С этим явлением борются разработчики, выпускаются резисторы с уменьшенным ТКС — температурным коэффициентом сопротивления. Стоят такие элементы дороже обычных. Но существуют такие электронные компоненты, у которых зависимость сопротивления от температуры ярко выражена и нормирована. Эти элементы называются терморезисторами (термосопротивлениями) или термисторами.
Виды и устройство терморезисторов
Терморезисторы можно разделить на две большие группы по реакции на изменение температуры:
Тип термистора определяется свойствами материалов, из которых изготовлены терморезисторы. Металлы при нагреве увеличивают сопротивление, поэтому на их основе (точнее, на базе оксидов металлов) выпускают термосопротивления с положительным ТКС. У полупроводников зависимость обратная, поэтому из них делают NTC-элементы. Термозависимые элементы с отрицательным ТКС теоретически можно делать и на основе электролитов, но этот вариант на практике крайне неудобен. Его ниша – лабораторные исследования.
Конструктив термисторов может быть различным. Их выпускают в виде цилиндров, бусин, шайб и т.п. с двумя выводами (как у обычного резистора). Можно подобрать наиболее удобную форму для установки на рабочем месте.
Основные характеристики
Самая главная характеристика любого терморезистора – его температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Он показывает, насколько меняется сопротивление при нагреве или охлаждении на 1 градус Кельвина.
Хотя изменение температуры, выраженное в градусах Кельвина, равно изменению в градусах Цельсия, в характеристиках термосопротивлений пользуются все же Кельвинами. Это связано с широким применением в расчетах уравнения Стейнхарта-Харта, а в него входит температура в К.
ТКС отрицателен у термисторов типа NTC и положителен у позисторов.
Другая важная характеристика – номинальное сопротивление. Это значение сопротивления при 25 °С. Зная эти параметры, легко определить применимость термосопротивления для конкретной схемы.
Также для использования термисторов важны такие характеристики, как номинальное и максимальное рабочее напряжение. Первый параметр определяет напряжение, при котором элемент может работать длительное время, а второй – напряжение, выше которого работоспособность термосопротивления не гарантируется.
Для позисторов важным параметром является опорная температура – точка на графике зависимости сопротивления от нагрева, при которой происходит перелом характеристики. Она определяет рабочий участок PTC-сопротивления.
При выборе терморезистора надо обратить внимание и на его температурный диапазон. Вне заданного производителем участка, его характеристика не нормируется (это может привести к ошибкам в работе оборудования) или термистор там вообще неработоспособен.
Условно-графическое обозначение
На схемах УГО термистора могут незначительно отличаться, но главный признак термосопротивления – символ t рядом с прямоугольником, символизирующим резистор. Без этого символа не определить, от чего зависит сопротивление – схожее УГО имеют, например, варисторы (сопротивление определяется приложенным напряжением) и другие элементы.
Иногда на УГО наносят дополнительное обозначение, определяющее категорию терморезистора:
Эту характеристику иногда обозначают стрелками:
Литерное обозначение может быть различным – R, RK, TH и т.п.
Как проверить термистор на работоспособность
Первая проверка исправности термистора – измерение номинального сопротивления обычным мультиметром. Если замер ведется при комнатной температуре, которая не очень отличается от +25 °С, то и измеренное сопротивление не должно существенно отличаться от указанного на корпусе или в документации.
Если температура окружающего воздуха выше или ниже указанного значения, надо взять небольшую поправку.
Можно попытаться снять температурную характеристику термистора – чтобы сравнить её с заданной в документации или чтобы восстановить её для элемента неизвестного происхождения.
Есть три температуры, доступные для создания с достаточной точностью без измерительных приборов:
По этим точкам можно нарисовать приблизительную зависимость сопротивления от температуры, но для позисторов это может не сработать – на графике их ТКС, есть участки, где R температурой не определяется (ниже опорной температуры). Если термометр имеется, можно снять характеристику по нескольким точкам – опустив терморезистор в воду и нагревая её. Через каждые 15…20 градусов надо замерять сопротивление и наносить значение на график. Если надо снять параметры выше 100 градусов, вместо воды можно использовать масло (например, автомобильное – моторное или трансмиссионное).
На рисунке изображены типовые зависимости сопротивлений от температуры – сплошной линией для PTC, штриховой – для NTC.
Где применяются
Самое очевидное применение терморезисторов – в качестве датчиков для измерения температуры. Для этой цели пригодны как термисторы с характеристикой NTC, так и PTC. Надо лишь выбрать элемент по рабочему участку и учесть характеристику термистора в измерительном приборе.
Можно построить термореле – когда сопротивление (точнее, падение напряжения на нём) сравнивается с заданным значением, и при превышении порога происходит переключение выхода. Такой прибор можно применять в качестве устройства теплового контроля или пожарного датчика. Создание измерителей температуры основано на явлении косвенного нагрева – когда терморезистор нагревается от внешнего источника.
Также в сфере использования термосопротивлений используется прямой нагрев – термистор нагревается током, проходящим через него. NTC-резисторы таким способом можно применить для ограничения тока – например, при зарядке конденсаторов большой ёмкости при включении, а также для ограничения тока пуска электродвигателей и т.п. В холодном состоянии термозависимые элементы имеют большое сопротивление. Когда конденсатор частично зарядится (или электродвигатель выйдет на номинальные обороты), термистор успеет нагреться протекающим током, его сопротивление упадет, и он перестанет оказывать влияние на работу схемы.
Таким же способом можно продлить срок службы лампы накаливания, включив последовательно с ней терморезистор. Он ограничит ток в самый сложный момент – при включении напряжения (именно в это время большинство ламп выходит из строя). После прогрева он перестанет оказывать влияние на лампу.
Для защиты электродвигателей во время работы служат, наоборот, термисторы с положительной характеристикой. Если ток в цепи обмотки будет повышаться из-за заклинивания двигателя или превышения нагрузки на валу, PTC-резистор нагреется и ограничит этот ток.
Термисторы с отрицательным ТКС, также можно использовать в качестве компенсаторов нагрева других компонентов. Так, если параллельно резистору, задающему режим транзистора и имеющему положительный ТКС, установить NTC-термистор, то изменение температуры подействует на каждый элемент противоположным образом. В результате действие температуры компенсируется, и рабочая точка транзистора не сместится.
Существуют комбинированные приборы, называемые терморезисторами с косвенным нагревом. В одном корпусе такого элемента расположены термозависимый элемент и нагреватель. Между ними существует тепловой контакт, но гальванически они развязаны. Изменяя ток через нагреватель, можно управлять сопротивлением.
Терморезисторы с различными характеристиками широко используются в технике. Наряду со стандартными применениями, их сферу работы можно расширять. Все ограничивается только фантазией и квалификацией разработчика.
Что такое резистор и для чего он нужен?
Что такое триггер, для чего он нужен, их классификация и принцип работы
Принцип работы и основные характеристики стабилитрона
Что такое диодный мост, принцип его работы и схема подключения
Что такое датчик Холла: принцип работы, устройство и способы проверки на работоспособность
Термометр сопротивления — датчик для измерения температуры: что это такое, описание и виды
Как проверить варистор: используем мультиметр и другие способы
Содержание статьи
Варистор является разновидностью полупроводникового резистора с функцией предохранителя защищаемой цепи. Принцип работы варистора основан на резком и быстром уменьшении его электрического сопротивления при повышении напряжения на контактах. Отсюда следует параллельный способ подключения прибора к тому участку схемы, который необходимо шунтировать.
В штатном режиме варистор бездействует – он необходим при пиковых всплесках напряжения, которое может вывести из строя защищаемую схему. Рост разницы потенциалов приводит к протеканию тока через варистор, избыточная энергия выделяется прибором в тепловом виде. Внешне типичный варистор выглядит как таблетка с двумя усиками-выводами и похож на конденсатор, отличаясь от него по нанесенной маркировке.
Основные параметры и маркировка варисторов
Данный тип полупроводниковых приборов выпускается в двух разновидностях. Низковольтные варисторы срабатывают на напряжение в диапазоне от 3 до 200 Вольт, они применяются в бытовой аппаратуре. Высоковольтные способны реагировать на напряжение до 20 000 Вольт и используются в промышленности.
По маркировке прибора можно понять не только его назначение (и отличить от конденсатора), но и получить представление об основных характеристиках.
Например, варистор с надписью 20d421k имеет диаметр 20 миллиметров, пороговое напряжение открытия в 420 Вольт, а буква k обозначает допустимое отклонение данного напряжения, равное 10 %. То есть этот прибор может сработать уже при подаче 378 Вольт на его контакты (420 – 42).
На электрических схемах варистор обозначается аббревиатурой znrX, где X – количество приборов на данном участке схемы.
Проверка варистора – осмотр, омметр и мультиметр
При срабатывании данного полупроводникового прибора происходит значительное выделение тепла и варистор может сгореть. Это происходит при большом значении пикового напряжения, при его длительной подаче либо при сочетании обоих факторов.
Способов проверки варистора на дальнейшую работоспособность существует несколько:
На практике использование мультиметра для диагностики исправности варисторов встречается не столь часто, так как в большинстве случаев достаточно внешнего осмотра. При замене сгоревшего предохранителя следует обратить внимание на технические характеристики его предшественника, иначе новый варистор выйдет из строя значительно быстрее либо не выполнит свою шунтирующую функцию и допустит повреждение целого электронного блока.
Импортные варисторы — обозначения, характеристики, применение
Варисторы применяются практически во всех электронных устройствах.
Варистор является полупроводниковым резистором, уменьшающим величину своего сопротивления при увеличении напряжения.
Varistor (Variable Resistor) так и переводится – изменяющееся сопротивление. На схемах варистор обозначается, как обычный резистор, но с добавлением буквы U (RU или VA) рядом с наклонной чертой.
В обычном состоянии он обладает высоким сопротивлением, но при превышении номинального значения напряжения сопротивление резко падает. Варистор так работает в режиме стабилитрона. Поэтому варисторы часто ставят для защиты радиоаппаратуры.
В случае возникновения перенапряжения, способного вывести из строя электронное устройство, варистор практически мгновенно изменяет своё сопротивление от сотен МОм до десятков Ом, то есть закорачивает цепь питания. Перед варистором всегда ставится обычный плавкий предохранитель и при наступлении такого случая последний сгорает, разрывая цепь питания.
При замене плавкого предохранителя, также нужно проверить и если нужно заменить варистор. Очень часто, что с выходом из строя предохранителя сгорает варистор. Если не заменить варистор, то при следующем повышением напряжения Вы можете «попасть» на дорогостоящий ремонт, чем варистор и предохранитель.
Расшифровка надписи на варисторе
Среди отечественных наиболее распространенным является К275, а среди импортных — 7n471k, 14d471k, kl472m и ac472m. Наибольшей популярностью пользуется варистор, маркировка которого — CNR (бывают еще hel, vdr, jvr, nvr…). Кроме того, к ней прикрепляется цифробуквенный индекс 14d471k, и расшифровывается этот вид обозначения следующим образом:
Параметры варисторов
Основные параметры варисторов:
При подборе или замене варисторов нужно пользоваться справочной информацией (Datasheet) на конкретный варистор. Это будет правильней потому что, на корпус импортных варисторов наноситься только величина квалификационного напряжения, по которому достаточно сложно судить о его полных параметрах.
Характеристики варисторов
Варистор серии 07K, 10K, 14K, 20K – оксидно-цинковый защитный элемент, обладающий способностью мгновенного (до 25 нс) изменения собственного сопротивления под воздействием подаваемого напряжения. Характерные резко выраженные нелинейные и симметричные вольтамперные характеристики предоставляют возможность эксплуатации варисторов в цепях постоянного, переменного и импульсного тока.
Подробные характеристики, расшифровка маркировки, габаритные размеры, общее устройство варисторов 07K, 10K, 14K, 20K указаны ниже.
Термистор – характеристика и принцип действия
Главная страница » Термистор – характеристика и принцип действия
Термистор (терморезистор) – твердотельный электронный элемент, внешне напоминающий постоянный резистор, но обладающий выраженной температурной характеристикой. Этот вид электронных приборов, как правило, используются для изменения аналогового выходного напряжения с учётом изменения окружающей температуры. Другими словами – электрические свойства термистора и принцип действия напрямую связаны с физическим явлением — температурой.
Характеристика электронного элемента
Термистор — термочувствительный полупроводниковый элемент, изготовленный на основе полупроводниковых оксидов металлов. Обычно имеет форму диска или шара с металлизированными или соединительными выводами.
Такие формы позволяют изменять резистивное значение пропорционально малым изменениям температуры. Для стандартных резисторов изменение сопротивления от нагрева видится нежелательным явлением. Но этот же эффект видится удачным при построении многих электронных схем, требующих определения температуры.
Таким образом, будучи нелинейным электронным устройством с переменным сопротивлением, терморезистор успешно подходит для работы в качестве терморезистора-датчика. Такого рода датчики широко применяют для контроля температуры жидкостей и газов.
Выступая твердотельным устройством, изготовленным на основе высокочувствительных оксидов металлов, терморезистор работает на молекулярном уровне. Валентные электроны становятся активными и воспроизводят отрицательный ТКС либо пассивными и тогда воспроизводят положительный ТКС.
В результате электронные приборы – термисторы, демонстрируют очень хорошую воспроизводимую резистивность, сохраняя эксплуатационные характеристики, позволяющие продуктивно работать в диапазоне температур до 200ºC.
Применение терморезисторов на практике
Базовым направлением применения, в данном случае, являются резистивные температурные датчики. Однако эти же электронные элементы, принадлежащие семейству резисторов, можно успешно использовать включенными последовательно с другими компонентами или устройствами.
Простые схемы включения терморезисторов, показывающие работу приборов в качестве температурных датчиков — своеобразных преобразователей напряжения за счёт изменения сопротивления
Такая схема включения позволяет контролировать ток, протекающий через компонент. Таким образом, термисторы, по сути, выступают ещё и токоограничителями. Производятся термисторы разного типа, на основе различных материалов и отличаются по размерам в зависимости от времени отклика и рабочей температуры.
Существуют герметичные модификации приборов, защищённые от проникновения влаги. Есть конструкции под высокие рабочие температуры и компактные по размерам. Следует выделить три наиболее распространенных типа терморезисторов:
Работают приборы в зависимости от изменения температуры:
То есть существует два типа приборов:
Отрицательный коэффициент ТКС
NTC-термисторы с отрицательным ТКС уменьшают собственное резистивное значение по мере увеличения внешней температуры. Как правило, именно эти приборы чаще выступают датчиками температуры, поскольку идеально подходят практически к любому типу электроники, где требуется контроль температуры.
Относительно большой отрицательный отклик термистора NTC означает, что даже небольшие изменения температуры способны значительно изменить электрическое сопротивление прибора. Этот фактор делает модели NTC идеальными датчиками точного измерения температур.
Схема калибровки (проверки) терморезистора: 1 — источник питания; 2 — направление тока; 3 — испытуемый электронный элемент термистор; 4 — калибровочный микроамперметр
Терморезисторы NTC, снижающие сопротивление с повышением температуры, по исполнению доступны с различными базовыми сопротивлениями. Как правило, характеристика привязывается к базовым сопротивлениям при комнатной температуре.
Например: 25ºC берётся за контрольную (базовую) температурную точку. Отсюда выстраиваются значения приборов, допустим, следующих номиналов:
Другой важной характеристикой является значение «В». Величина «В» представляет собой постоянную константу, которая определяется керамическим материалом, из которого изготовлен термистор.
Этой же константой определяется градиент кривой резистивного отношения (R/T) в определенном температурном диапазоне между двумя температурными точками. Каждый материал термистора имеет различную материальную константу и, следовательно, индивидуальную кривую отношения сопротивления и температуры.
Так, константа «B» определяет одно резистивное значение при базовой T1 (25ºС), и другое значение при Т2 (например, при 100ºC). Следовательно, значение B определит постоянную константу материала термистора, ограниченную диапазоном T1 и T2:
B * T1 / T2 (B* 25 / 100)
p.s. значения температуры в расчётах берутся в градуировке Кельвина.
Отсюда вытекает, что имея значение «В» (из характеристики производителя) конкретного прибора, электронщику останется только создать таблицу температур и сопротивлений, чтобы построить подходящий график при помощи следующего нормированного уравнения:
где: T1, T2 – температуры в градусах Кельвина; R1, R2 – сопротивления при соответствующих температурах в Омах.
Так, например, термистор NTK, обладающий сопротивлением 10 кОм, имеет значение «В» равным 3455 в рамках температурного диапазона 25 — 100ºC.
Очевидный момент: термисторы экспоненциально меняют сопротивление с изменениями температуры, поэтому характеристическая кривая приборов нелинейная. Чем больше контрольных точек устанавливаются, тем точнее получается кривая.
Применение термистора в роли активного датчика
Поскольку прибор является активным типом датчика, для работы требуется сигнал возбуждения. Любые изменения сопротивления в результате изменения температуры преобразуются в изменение напряжения.
Промышленностью выпускаются термисторы разного исполнения, в том числе высокоточные, надёжно защищённые для применения в системах высокого уровня
Самый простой способ добиться подобного эффекта — использовать термистор как часть схемы делителя потенциала, как показано на рисунке ниже. Постоянное напряжение подаётся в цепь резистора и терморезистора.
К примеру, используется схема, где термистор 10 кОм включен последовательно с резистором 10 кОм. В этом случае выходное напряжение при базовой Т = 25ºC составит половину напряжения питания.
Таким образом, схема делителя потенциалов является примером простого преобразователя сопротивления в напряжение. Здесь сопротивление термистора регулируется температурой с последующим формирования величины выходного напряжения, пропорциональной температуре.
Простыми словами: чем теплее корпус термистора, тем ниже напряжение на выходе.
Между тем, если изменить положение последовательного резистора, RS и термистора RTH, в этом случае уровень выходного напряжения изменится на противоположный вектор. То есть теперь чем больше нагреется термистор, тем выше будет уровень выходного напряжения.
Использовать термисторы допускается и как часть базовой конфигурации с использованием мостовой схемы. Связью между резисторами R1 и R2 устанавливается опорное напряжение до требуемого значения. Например, если R1 и R2 имеют одинаковые значения сопротивления, опорное напряжение равно половине напряжения питания (V/2).
Схема усилителя, построенная с использованием этой мостовой схемы с термозондом, может выступать в качестве высокочувствительного дифференциального усилителя или в качестве простой схемы запуска Шмитта с функцией переключения.
Существует проблема, связанная с прохождением тока через термистор (эффект «самонагрева»). В таких случаях рассеиваемая мощность I 2 R достаточно высока и создаёт больше тепла, чем способен рассеять корпус прибора. Соответственно, это «лишнее» тепло влияет на резистивное значение, что приводит к ложным показаниям.
Одним из способов избавления от эффекта «самонагрева» и получения более точного изменения сопротивления от влияния температуры (R/T), видится питание термистора от постоянного источника тока.
Термистор как регулятор пускового тока
Приборы традиционно используются в качестве резистивных чувствительных к температуре преобразователей. Однако сопротивление термистора изменяется не только под влиянием окружающей среды, но также изменения наблюдаются от протекающего через прибор электротока. Эффект того самого «самонагрева».
Разное электрооборудование на индуктивной составляющей:
подвергается чрезмерным пусковым токам при первом включении. Но если в цепь последовательно включить термистор, можно эффективно ограничивать высокий начальный ток. Такое решение способствует увеличению срока службы электрооборудования.
Терморезисторы с низким ТКС (при 25°C) обычно используются для регулирования пускового тока. Так называемые ограничители тока (перенапряжения) меняют сопротивление до очень низкого значения при прохождении тока нагрузки.
В момент первоначального включения оборудования пусковой ток проходит через холодный термистор, резистивное значение которого достаточно велико. Под воздействием тока нагрузки термистор нагревается, сопротивление медленно уменьшается. Так осуществляется плавная регулировка тока в нагрузке.
Термисторы NTC достаточно эффективно обеспечивают защиту от нежелательно высоких пусковых токов. Преимущественной стороной здесь является то, что этот тип приборов способен эффективно обрабатывать более высокие пусковые токи по сравнению с резисторами стандартного образца.
Видео по теме: Диагностика неисправности термистора электродвигателя
Видеороликом ниже рассматривается практика обслуживания электрических двигателей, дополненных встроенными термисторами непосредственно в состав обмотки статора. В частности, неисправности так называемого термического выключателя: