Многослойные варисторы

Освоение выпуска оксидо-цинковых варисторов стимулировано развитием полупроводниковой и микроэлектронной техники, которая, в отличие от электронно-ламповой, обладает крайне низкой устойчивостью по отношению к перенапряжениям, возникающим в реальной аппаратуре. Причиной перенапряжений могут явиться грозовые разряды, коммутационные процессы, статическое электричество, электромагнитные наводки различной природы и другие.

Оксидо-цинковые варисторы предназначены для защиты электрического и электронного оборудования от импульсных воздействий напряжения. Они имеют уникально высокую способность рассеивать энергию за счёт перераспределения энергии в объёме варистора, обладают высоким быстродействием и малыми размерами.

Многослойные варисторы (рис. 1) уже несколько лет успешно используются в различных областях и, в настоящее время, являются наиболее популярными компонентами защиты от импульсных воздействий напряжения. Высокое быстродействие и надёжная проводимость в широком диапазоне температур, а также маленькие размеры (от 0805 до 2220) делают чип-варисторы наиболее привлекательными для электронной промышленности.

Рис. 1. Структура многослойного варистора

Варистор, прежде всего, предна-значен для защиты от перенапряжения, но также его можно использовать для защиты от побочных физических эффектов. Если посмотреть на внутреннюю структуру многослойного варистора, то станет очевидным, что его ёмкость зависит от площади S, числа внутренних электродов N и толщины керамического диэлектрика Т. Номинальное напряжение варистора также зависит от толщины керамического диэлектрика, поэтому ёмкость и напряжение варистора взаимозависимы. Вообще, для защиты линий передачи данных необходимо, чтобы ёмкость (включая паразитную) была низкой либо имела определённое значение. Слишком большая ёмкость на сигнальной линии отрицательно влияет на прохождение сигнала. С другой стороны, стандарты требуют наличия фильтрующих элементов, которые способны подавить нежелательные помехи (например, радио/электромагнитные).

Для выполнения этих требований, были разработаны специальные многослойные варисторы с низким, определённым и высоким значениями ёмкости:

• низкая ёмкость: для создания низкочастотного фильтра, особенно необходимого для высокоскоростных линий передачи данных;
• определённая ёмкость: заменяет конденсатор фильтра в портах ввода/вывода. Преимущество — защита от импульсных воздействий напряжения плюс экономия дополнительных конденсаторов;
• высокая ёмкость: для шумопоглощения (радио/электромагнитные помехи). Применяется в варисторно-конденсаторных блоках БВКА и БВКН.

Поскольку экономия пространства — одна из основных целей каждой новой конструкции, варистор обеспечивает:

• Экономию пространства компонентом:
  • по сравнению с диодом варистор размера 0805 занимает только 20% площади на печатной плате.
• Экономию пространства заменой схемы:
  • экономия пространства, а также использование чувствительных полупроводниковых приборов требуют применения надёжных чип-компонентов защиты. Использование для этих целей стабилитронов и диодов известно многим проектировщикам. Схема защиты от импульсных воздействий напряжения с диодами, в комбинации с резисторами для ограничения тока и конденсаторов для фильтрации, получила наибольшее распространение в послед-нее время. Дополнительно в конструкции могут быть использованы разрядники для отвода той части энергии импульсного напряжения, которая не может быть рассеяна диодами. Очень часто эти комбинации могут быть заменены одним многослойным варистором (рис. 2).

Рис. 2. Выигрыш по площади

Варисторы обладают симметричной высоконелинейной вольт-амперной характеристикой при уникально высокой импульсной устойчивости. Оксидо-цинковые варисторы являются в настоящее время практически единственным быстродействующим средством защиты сложных и дорогостоящих полупроводниковых систем различного назначения, таких как:

• бытовая электроника (телевизоры, микроволновые печи, бытовая радиоэлектронная аппаратура и др.);
• устройства промышленной электроники (электродвигатели, тиристорные схемы управления, релейные схемы, схемы защиты);
• аппаратура средств связи;
• устройства обработки данных;
• оборудование передачи электроэнергии (грозоразрядники);
• транспортные средства (автомобильная электроника, железнодорожный транспорт) и другие области применения.

Вольт-амперная характеристика варистора аппроксимируется выражением:

I = kUa ,

где: I — ток, U — напряжение, a — коэффициент нелинейности, k — коэффициент, учитывающий диапазон рабочих напряжений.

Наилучшими вольт-амперными характеристиками обладают кремниевые ограничительные диоды и оксидо-цинковые варисторы. Ограничительные диоды обладают уникально высоким коэффициентом нелинейности ВАХ, но не способны рассеивать большие энергии из-за малого объёма p-n-перехода. Это обуславливает резкое уменьшение допустимого тока в импульсе, протекающем через диод. Варисторы рассеивают энергию во всём объёме и допускают прохождение тока в импульсе до 4000 А, а также обладают симметричной ВАХ. В области низких токов электрические характеристики определяются высокоомным сопротивлением утечки и ёмкостью, которая незначительно меняется при изменении напряжения и температуры.

Электростатический разряд может иметь положительную или отрицательную полярность. Поскольку многослойные варисторы являются двунаправленными элементами, они могут абсорбировать оба типа разряда, поэтому комбинация из 2 ограничительных диодов, 1 конденсатора и 1 резистора может быть заменена одним компонентом — варистором (рис. 3). Для диодов максимально допустимый ток с ростом температуры уменьшается. Чтобы не превысить допустимый ток через диод, необходимо применение ограничивающего резистора. Благодаря структуре, многочисленные микроваристоры связаны в теле варистора, поэтому многослойные варисторы могут выдержать большие нагрузки, чем полупроводниковые эквиваленты. Другим преимуществом является стабильность параметров в диапазоне от -55 до +85 °С.

Рис. 3. Выигрыш по числу элементов

Вместе с улучшением технической эффективности, применение варистора позволяет уменьшить затраты по установке (1 вместо 4 компонентов) и площади печатной платы, что приводит к сокращению до 30% стоимости.

Применение в среднем 5–20 защищаемых линий в устройстве имеет большой потенциал по экономии средств и уменьшению числа компонентов.

Разработанные Витебским Заводом Радиодеталей (ВЗРД) варисторы полностью соответствуют ТУ РБ 07615377.062-99, а также международным стандартам МЭК 384-10, МЭК 1051-1.

Простейшие примеры применения варистров приведены на рис. 4, 5.

Рис. 4. Пример 1	Рис. 5. Пример 2

ВЗРД выпускает варисторы в двух исполнениях: чип — для поверхностного монтажа и выводные — для навесного монтажа. Оба исполнения имеют идентичные электрические характеристики, кроме времени срабатывания. Для чип-исполнения время срабатывания составляет менее 5 нс, для выводного — менее 25 нс.

Серия МЧВН, МОВН — варисторы общего назначения низкого напряжения. Изготавливаются на максимальное, непрерывное напряжение переменного тока 50–60 Гц — U_rms = 2ё40 В, максимальный ток одиночного импульса 8/20 мкс — I_max до 4000 А.

Серия МЧВС, МОВС — варисторы общего назначения среднего напряжения. Изготавливаются на максимальное, непрерывное напряжение переменного тока 50–60 Гц — U_rms = 11ё300 В, максимальный ток одиночного импульса 8/20 мкс — I_max до 1200 А.

Примечание: варисторы МЧВС и МОВС изготавливаются по согласованию с потребителем. Мы надеемся, что этот обзор будет полезен разработчикам электронных схем. Более подробную техническую информацию можно получить непосредственно на ВЗРД.

Тел.: (0212) 333-176
(отдел маркетинга),
(0212) 33-20-43 (цех изготовитель).
Факс для заявок: (0212) 33-75-02

журнал туризм и отдых