Warystory – zasada działania, rodzaje i zastosowanie

Warystor jest elementem półprzewodnikowym, który może zmieniać swoją rezystancję czynną nieliniowo w zależności od wielkości przyłożonego do niego napięcia. W rzeczywistości jest to rezystor o takiej charakterystyce prądowo-napięciowej, którego przekrój liniowy jest ograniczony do wąskiego zakresu, do którego dochodzi rezystancja warystora, gdy przyłożone jest do niego napięcie powyżej pewnego progu.

W tym momencie rezystancja elementu zmienia się gwałtownie o kilka rzędów wielkości — zmniejsza się od początkowych dziesiątek MΩ do jednostek omów. A im bardziej przyłożone napięcie wzrasta, tym mniejsza staje się rezystancja warystora. Ta właściwość sprawia, że ​​warystor jest podstawowym elementem nowoczesnych urządzeń przeciwprzepięciowych.

Połączony równolegle z chronionym obciążeniem warystor pochłania prąd zakłócający i rozprasza go w postaci ciepła. A pod koniec tego zdarzenia, gdy przyłożone napięcie spada i powraca powyżej progu, warystor przywraca swoją początkową rezystancję i jest ponownie gotowy do pełnienia funkcji ochronnej.

Można powiedzieć, że warystor jest półprzewodnikowym odpowiednikiem iskiernika gazowego, tylko w warystorze, w przeciwieństwie do iskry gazowej, początkowa wysoka rezystancja jest przywracana szybciej, praktycznie nie ma bezwładności, a zakres napięć nominalnych zaczyna się od 6 i osiąga 1000 i więcej woltów.

Z tego powodu warystory są szeroko stosowane w obwodach ochronnych. przełączniki półprzewodnikowe, w obwodach z elementami indukcyjnymi (do gaszenia iskier), a także samodzielnymi elementami ochrony elektrostatycznej obwodów wejściowych urządzeń elektronicznych.

Proces wytwarzania warystora polega na spiekaniu sproszkowanego półprzewodnika ze spoiwem w temperaturze około 1700°C. Wykorzystuje się tu półprzewodniki takie jak tlenek cynku czy węglik krzemu. Spoiwem może być szkło wodne, glina, lakier lub żywica. Na uzyskany w wyniku spiekania element w kształcie dysku nanoszone są metodą metalizacji elektrody, do których przylutowane są przewody montażowe elementu.

Oprócz tradycyjnej postaci dysków, warystory można znaleźć w postaci prętów, kulek i folii. Regulowane warystory wykonane są w postaci prętów z ruchomym stykiem. Tradycyjne materiały półprzewodnikowe stosowane do produkcji warystorów na bazie węglika krzemu o różnych wiązaniach: tyryt, willit, letyn, silit.

Wewnętrzna zasada działania warystora polega na tym, że krawędzie małych kryształków półprzewodnikowych wewnątrz masy wiążącej stykają się ze sobą, tworząc obwody przewodzące. Gdy przepływa przez nie prąd o określonej wielkości, dochodzi do lokalnego przegrzania kryształów i zmniejsza się rezystancja obwodów. Zjawisko to wyjaśnia nieliniowość CVC warystora.

Jednym z głównych parametrów warystora, obok napięcia skutecznego odpowiedzi, jest współczynnik nieliniowości, który określa stosunek rezystancji statycznej do rezystancji dynamicznej. Dla warystorów opartych na tlenku cynku parametr ten waha się od 20 do 100. Jeśli chodzi o współczynnik temperaturowy rezystancji warystora (TCR), jest on zwykle ujemny.

Warystory są kompaktowe, niezawodne i dobrze sprawdzają się w szerokim zakresie temperatur pracy.Na płytkach drukowanych iw SPD można znaleźć małe warystory dyskowe o średnicy od 5 do 20 mm. Aby rozproszyć większe moce, stosuje się warystory blokowe o wymiarach całkowitych 50, 120 i więcej milimetrów, zdolne do rozpraszania kilodżuli energii w impulsie i przepuszczania przez nie prądów o wartości dziesiątek tysięcy amperów, bez utraty wydajności.

Jednym z najważniejszych parametrów każdego warystora jest czas odpowiedzi. Chociaż typowy czas zadziałania warystora nie przekracza 25 ns, aw niektórych obwodach jest to wystarczające, to jednak w niektórych miejscach, np. do ochrony przed elektrycznością statyczną, wymagana jest szybsza reakcja, nie większa niż 1 ns.

W związku z tą potrzebą czołowi światowi producenci warystorów kierują swoje wysiłki na zwiększenie ich wydajności. Jednym ze sposobów osiągnięcia tego celu jest zmniejszenie długości (odpowiednio indukcyjności) zacisków elementów wielowarstwowych. Takie warystory CN zajęły już godne miejsce w ochronie przed statyczną mocą wyjściową układów scalonych.

Napięcie znamionowe warystora DC (1mA) jest parametrem warunkowym, przy tym napięciu prąd płynący przez warystor nie przekracza 1mA.Napięcie znamionowe jest podane na oznaczeniu warystora.

ACrms jest odpowiedzią skuteczną warystora na napięcie prądu przemiennego. DC — sterowanie napięciem DC.

Ponadto maksymalne dopuszczalne napięcie przy danym prądzie jest znormalizowane, na przykład V @ 10A. W to znamionowe rozpraszanie mocy elementu. J to maksymalna energia pojedynczego pochłoniętego impulsu, która określa czas, w którym warystor będzie w stanie rozproszyć moc znamionową, pozostając w dobrym stanie. Ipp — prąd szczytowy warystora, znormalizowany przez czas narastania i czas trwania impulsu pochłoniętego, im dłuższy impuls, tym niższy dopuszczalny prąd szczytowy (mierzony w kiloamperach).

Aby uzyskać większe rozpraszanie mocy, dozwolone jest równoległe i szeregowe łączenie warystorów. W przypadku połączenia równoległego ważne jest, aby wybrać warystory jak najbliżej parametrów.