Варистор

2.1.1.2 Варистор

 

 

Варистор — полупроводниковый резистор. Варистор — элемент нелинейный, его сопротивление зависит от приложенного к его выводам напряжения: чем выше напряжение, тем ниже сопротивление. Варистор включается параллельно защищаемому оборудованию, то есть к нему приложено то же напряжение, что и к защищаемому устройству. При нормальном напряжении в сети питания и отсутствии импульсных помех ток, проходящий через варистор, очень мал, и им можно пренебречь, и в такой ситуации варистор можно считать изолятором. Если в сети питания возникает импульс высокого напряжения (напряжение импульса может быть выше 6000 В в течение короткого промежутка времени (длительность импульса 10−6 — 10−9 с), то сопротивление варистора резко падает, и он преобразует электрическую энергию импульса в тепловую, чем защищает включенные в сетевой фильтр приборы, в этот момент через варистор может протекать ток силой в несколько тысяч ампер.

2.1.1.2.1 Изготовление

Изготавливают варисторы спеканием при температуре около 1700 °C полупроводника — преимущественно порошкообразного карбида кремния SiC или оксида цинка ZnO, и связующего вещества (глина, жидкое стекло, лаки, смолы и др.). Далее поверхность полученного элемента металлизируют и припаивают к ней выводы.

Конструктивно варисторы выполняются обычно в виде дисков, таблеток, стержней; существуют бусинковые и плёночные варисторы. Широкое распространение получили стержневые подстроечные варисторы с подвижным контактом.

2.1.1.2.2 Свойства

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.

Один из основных параметров варистора — коэффициент нелинейности л — определяется отношением его статического сопротивления R к динамическому сопротивлению Rd:

,

где U и I — напряжение и ток варистора.

Коэффициент нелинейности лежит в пределах 2-10 у варисторов на основе SiC и 20-100 у варисторов на основе ZnO.

Температурный коэффициент сопротивления варистора — отрицательная величина.

2.1.1.2.3 Применение

Низковольтные варисторы изготавливают на рабочее напряжение от 3 до 200 В и ток от 0,1 мА до 1 А; высоковольтные варисторы — на рабочее напряжение до 20 кВ.

Варисторы применяются для стабилизации и регулирования низкочастотных токов и напряжений, в аналоговых вычислителях — для возведения в степень, извлечения корней и других математических действий, в цепях защиты от перенапряжений (например, высоковольтные линии электропередачи, линии связи, электрические приборы) и др.

Высоковольтные варисторы применяются для изготовления ограничителей перенапряжения.

Как электронные компоненты, варисторы дёшевы и надёжны, способны выдерживать значительные электрические перегрузки, могут работать на высокой частоте (до 500 кГц). Среди недостатков — значительный низкочастотный шум и старение — изменение параметров со временем и при колебаниях температуры. В последние 5 лет появились на рынке так называемые «нестарящиеся» варисторы, имеющие по ряду параметров улучшение электрических свойств во времени под напряжением промышленной частоты.

2.1.1.2.4 Параметры

·  Вольт-амперная характеристика

·  Классификационное напряжение, В — напряжение при определённом токе (обычно изготовители указывают при 1 мА), практической ценности не представляет.

·  Рабочее напряжение (Operating voltage) В (для пост. тока Vdc и Vrms — для переменного) — диапазон — от нескольких В до нескольких десятков кВ; данное напряжение должно быть превышено только при перенапряжениях.

·  Рабочий ток (Operating Current), А — диапазон — от 0,1 мА до 1 А

·  Максимальный импульсный ток (Peak Surge Current), А

·  Поглощаемая энергия (Absorption energy), Дж

·  Коэффициент нелинейности

·  Температурные коэффициенты (статич. сопротивления, напряжения, тока) — для всех типов варисторов не превышает 0,1 % на градус

2.1.1.3 LC-фильтр

 

LC-фильтр предназначен для подавления высокочастотных помех (частотой 100 Гц — 100 МГц), которые искажают синусоиду переменного напряжения в сети и отрицательно ск азываются на работе электрооборудования. Эффективность работы LC-фильтра в различных диапазонах частот измеряется в дБ. Источниками ВЧ-помех являются различные электрические устройства: электродвигатели, генераторы, сварочные аппараты и т. п.

На рисунке показан пример простейшего LC-фильтра нижних частот: при подаче сигнала определённой частоты на вход фильтра (слева), напряжение на выходе фильтра (справа) определяется отношением реактивных сопротивлений катушки индуктивности (XL = щL) и конденсатора (XC = 1 / щC).

Коэффициент передачи ФНЧ можно вычислить, рассматривая делитель напряжения, образованный частотно-зависимыми сопротивлениями. Комплексное (с учетом сдвига фаз между напряжением и током) сопротивление катушки индуктивности есть ZL = jщL = jXL и конденсатора ZC = 1 / (jщC) = − jXC, где , поэтому, для ненагруженного LC-фильтра.

Подставляя значения сопротивлений, получим для частотно-зависимого коэффициента передачи:

Как видно, коэффициент передачи ненагруженного идеального ФНЧ неограниченно растет с приближением к частоте , и затем убывает. На очень низких частотах коэффициент передачи ФНЧ близок к единице, на очень высоких — к нулю. Вообще, зависимость модуля комплексного коэффицента передачи фильтра от частоты называют амлитудно-частотной характеристикой (АЧХ), а зависимость фазы — фазо-частотной характеристикой (ФЧХ).

В реальных схемах к выходу фильтра подключается активная нагрузка, которая понижает добротность фильтра и предотвращает острый резонанс АЧХ вблизи частоты щ0. Величину  называют характеристическим сопротивлением фильтра. ФНЧ, нагруженный на сопротивление, равное характеристическому, имеет нерезонансную АЧХ, примерно постоянную для частот щ < щ0, и убывающую как 1 / щ2 на частотах выше щ0. Поэтому, частоту щ0 называют частотой среза.

Аналогичным образом строится и LC-фильтр верхних частот. В схеме ФВЧ меняются местами катушка индуктивности и конденсатор. Для ненагруженного ФВЧ получается следующий коэффициент передачи:

На очень низких частотах модуль коэффициента передачи ФВЧ близок к нулю. На очень высоких — к единице.

2.1.1.3.1 Применение

LC-фильтры используются в силовых электрических цепях для гашения помех и для сглаживания пульсаций напряжения после выпрямителя. В каскадах радиоэлектронной аппаратуры часто применяются перестраиваемые LC-фильтры, например, простейший LC-контур, включенный на входе средневолнового радиоприёмника обеспечивает настройку на определённую радиостанцию.

Фильтры используются в звуковой аппаратуре в многополосных эквалайзерах для корректировки АЧХ, для разделения сигналов низких, средних и высоких звуковых частот в многополосных акустических системах, в схемах частотной коррекции магнитофонов и др.

2.1.2 Разделительный трансформатор

Разделительный трансформатор - это трансформатор, первичная обмотка которого изолирована от вторичных обмоток при помощи защитного электрического разделения цепей с помощью двойной или усиленной изоляции, т.е. между обмотками имеется заземленный металлический защитный экран.

Трансформатор будет являться разделительным, если его вторичная обмотка не заземлена. Обычно используются трансформаторы с коэффициентом трансформации 1. Допускается подключение к одному трансформатору только одного потребителя. Применение такого подключения электроприемника существенно снижает вероятность поражения электрическим током, так как токи, возникающие в случае пробоя изоляции, имеют небольшое значение, что обусловлено гальванической изоляцией вторичных цепей трансформатора от цепей заземления.