Варистор
Варистор – это электрический элемент, сопротивление которого может изменяться в зависимости от того, какое напряжение на него поступает.
Принцип работы варистора
Сопротивление варистора зависит от того, какое напряжение на него поступает. Как правило, до порогового значения, сопротивление варистора велико (более 1-2 мегаОм). При переходе порогового значения напряжение, сопротивление варистора стремительно снижается. Эта особенность варистора отлично помогает в защите электроники от импульсных скачков высокого напряжения. Ведь ток импульса в таком случае идет через варистор и рассеивается в виде тепла.
Однако, если пороговое значение напряжения поддерживается длительное время, то варистор перегревается и “сгорает”.
Кстати, при замене плавкого предохранителя, советуем заодно проверить и варистор. Очень часто, что выходом из строя предохранителя бывает умерший варистор. Если этого не сделать, при следующем же скачке напряжения вы рискуете большим, чем варистор и предохранитель.
Изготовление варистора
Объясняется все это устройством варистора. Состоит варистор из полупроводника и различных материалов для связывания. Распространена такая связка – карбид кремния и эпоксидная смола. Их сплавляют при высоких температурах. Затем, поверхность варистора покрывается металлом и припаиваются выходы.
Конструкция варистора
Способность проводить большое напряжение через себя варистором обеспечивается материалом – кремнием. При нагревании кристаллы карбида кремния значительно уменьшают свое сопротивление. И ток может спокойно проходить по ним.
Однако, все большее распространение получают варисторы из оксида цинка. Они проще в изготовление и могут пропускать через себя более высоковольтные импульсы. Техника их производства схожа с производством керамических варисторов.
Разные формы варисторов
Применение варистора
Варисторы применяются в большинстве бытовой электроники по всему миру. Их можно встретить практически в любой электронике. Они есть и в автомобильной электронике, в сотовой технике и бытовой, сетевых фильтрах и компьютерном железе.
Кстати говоря, хороший блок питания, от китайского отличается наличием варистора у первого. Поэтому, хороший блок питания куда более живуч и ремонтопригоден.
Умельцы, при сборе своих подделок из светодиодных ламп также используют варисторы. А особые умельцы умудряются размещать их в розетках и вилках. Что только не придумаешь для обеспечения защиты своей электроники, если в доме проблема со скачками напряжения.
Сфера их применения обширна. Это могут быть и установки с напряжением 20кВ и с напряжением в 3В. Это может быть сеть с переменным током, а может быть и с постоянным. Воистину, варисторы можно встретить практически везде.
Так какие же варистор характеристики имеет?
Как правило, для описания варистора используют вот такие параметры: 
Емкость варистора в закрытом состоянии. Во время работы её значение может меняться. При особенно большом токе – уменьшается практически до нуля. Обозначается как Со.
Максимальная энергия в Джоулях, которую может поглотить варистор за один импульс. Обозначается W.
Максимальное значение импульсного тока, при 8/20мс. Обозначается как Iрр.
Среднее квадратичное значение переменного напряжения в цепи. Обозначается как Um.
Предельное напряжение при постоянном токе. Обозначается как Um=.
Для приблизительных расчетов рабочего напряжения советуем использовать значение Un не больше 0,6 с переменным током и 0,8 с постоянным.
В сетях 220В используют варисторы с минимальным классификационным напряжением (Un) от 380 до 430 В.
Не следует забывать и о емкости варистора при подборе. Как правило, она зависит от размера варистора. Так, варистор TVR 20 431 имеет емкость 900пФ, а TVR 05 431 – 80 пФ. Эти величины всегда можно подглядеть в справочном материале.
На схемах варистор обозначается следующим образом
RU – это обозначение самого варистора. Цифра рядом с RU – номер по порядку. То есть, какое это по счету варистор в цепи. Буква U снизу слева у косой, проходящей через варистор, означает, что данный элемент имеет способность менять напряжение. Также, зачастую на схемах указывается маркировка варистора. О маркировке и её расшифровке мы поговорим ниже.
Так обозначают варистор на схемах
Защита варистором техники
Варисторная защита применяется в бытовых приборах. Они могут быть припаянными в саму плату, или же выведены и закреплены отдельными проводами. Варисторы необходимо подключать параллельно. Подключать их последовательно просто не имеет смысла. Ток по цепи в таком случае проходить просто не будет.
Как работает варисторная защита?
Например, рядом с вашим домом ударила молния. Или она могла попасть в ЛЭП. В сети происходит скачек напряжения. Варистор его поглощает и, если импульс слишком сильный/продолжительный – варистор умирает.
То есть, варистор гарантия того, что ваша чувствительная электроника не сгорит от скачка напряжения. Однако, следует помнить, что варистор может стать точкой короткого замыкания, во время длительной работы при максимальном напряжении.
Выше мы описали несколько способов как этого избежать. Брать варисторы с термисторами или же включать в цепь предохранители.
Если все максимально упростить: при низком напряжении варистор – блокирующее устройство, при высоком – проводящее.
Выбор варистора
Чтобы эффективно и гарантированно защитить вашу технику, к выбору варистора необходимо подойти с умом.
Как правило, для защиты бытовой техники используют варисторы с пороговым значением напряжения от 275 до 430 В. Особо углубляться в подбор варисторов с учетом других значений (емкость и т.п) мы вдаваться не будем. Тут есть множество нюансов, которые в формате этой статьи просто не удастся рассмотреть. Для более точного подбора варистора можем посоветовать использование справочников по варисторам. В них указаны все характеристики, которыми обладает тот или иной варистор. Что позволит вам выбрать наиболее подходящий для ваших целей и задач.
Еще одним важным параметром при выборе варистора является скорость срабатывания. Как правило, у большинства варисторов она составляет около 25 нс. Но не всегда этого хватает.
Тогда вам подойдут варисторы с меньшим временем срабатывания. Недостижимым идеалом по скорости срабатывания являются варисторы, изготовленные по технологии многослойной структуры SIOV-CN. Их скорость срабатывания может составлять менее 1 не.
Такие варисторы необходимы для защиты от статического электричества. В бытовой технике, такие варисторы практически не применяются.
Гарантом жизни вашей техники при любых скачках напряжения, может послужить варистор, установленный на нуле. Естественно, с учетом того, что он установлен и на фазе тоже.
Слышали, наверно, про случаи, когда сразу у множества людей сгорала электроника? Это происходит как раз из-за того, что по проводам идет только фаза. Варистор предохраняет и от этого.
Плюсы использования варистора
Варистор – он как автомат калашникова. Прост, надежен, дешев. И распространен повсеместно. Он всегда сработает и не подведет. Область его применения огромна. Как мы выше писали от 20кВ до 3В. Ну и про время срабатывания забывать не стоит. 25нс у среднего варистора – весьма неплохо. А есть экземпляры, со скоростью срабатывания ниже 0,5 не.
Но, как и у всего в этом мире, у варистора есть и недостатки.
К таковым относится низкочастотных шум во время работы, большая емкость варистора (от 70 до 3000 пФ) и склонность материалов варистора к устареванию.
Плюсы варистора превалируют над минусами. Именно поэтому он получил столь широкое распространение. Как и автомат калашникова.
Как проверить варистор?
Вот 3 способа, доступных практически каждому:
Начнем с самого простого способа – посмотреть на варистор
Для доступа к нему придется разобрать бытовой прибор и очистить его от пыли. Тут вам понадобится отвертка и щеточка. Запыленность – основная проблема блоков питания.
Поврежденный варистор можно обнаружить по трещинам на корпусе, вздутиям, явным признакам воздействия высоких температур. (Как минимум немного оплавленный корпус, как максимум – следы короткого замыкания).
Варистор покрыт снаружи, как правило, керамикой или эпоксидным покрытием. При перегревании варистора – покрытие трескается.
Мультиметр
Проверить варистор мультиметром довольно просто. Выставляем на мультиметре предел измерения. Выкручиваем его на максимум, как правило это 2 мегаОма (2МОм, 2М, реже 2000К). При измерении, мультиметр должен показывать сопротивление ближе к бесконечности. Зачастую, он показывает 1-2 мегаома.
Прозвон
При прозвоне придется отпаять одну из ножек варистора из цепи. Прозвон, следует осуществлять с разных направлений. Рабочий варистор не прозванивается, что понятно. Ток через него не идет. Сопротивление не позволяет.
Маркировка варистора
Если же ваш варистор вышел из строя, то для его замены нам здорово поможет знание маркировки варистора. Сама маркировка располагается на корпусе и представляет собой набор латинских букв и цифр. Несмотря на разных производителей, в большинстве своем, маркировка на варисторах не сильно отличается и её вполне возможно прочитать.
В качестве примера, приведем 2 разных варистора от разных производителей:
Первая цифра 12 – обозначает диаметр варистора в миллиметрах. Вторая цифра – 182К напряжение открытия. 18 – напряжение, 2- коэффициент. CNR же – обозначение материала варистора. В данном конкретном примере, варистор изготовлен из оксидов металлов.
K – используется для обозначения класса точности. То есть, если написано на корпусе варистора – 275К, то К – точность 10%, а 275 – напряжение открытия. И напряжение открытия рассчитывается так – 275 +- 27,5.
То есть, например, наш варистор 20D471K можно заменить варистором TVR20471. Или любым другим аналогом варистора. Например – SAS471D20. Нужно лишь знать основные принципы маркировки.
Несмотря на вышеописанные принципы маркировки, настоятельно рекомендуем пользоваться справочной литературой при выборе варистора. В ней указываются все необходимые характеристики варистора, в том числе и те, которые не узнать по маркировке.
Что делать, если у вашего варистора стерта маркировка?
Узнать, на какое напряжение рассчитан ваш варистор вам поможет мегомметр. Чтобы проверить варистор, надо подключить его к мегомметру и прогонять его по пределам. То есть, если варистор на 470В, то проверять его стоит на 500В.
Есть способ, с использованием блока питания. Правда, для этого нужен блок питания, с регулируемым напряжением и максимальной силой тока. Силу тока нужна выставить такую, чтобы варистор не сгорел. А как мы писали выше, они имеют тенденцию взрываться.
Варистор со стёртой маркировкой
Соответственно, перед подключением его следует визуально осмотреть. Если на корпусе варистора имеются трещины, вздутия, визуально видно, что он плавился – то такой варистор точно не рабочий. Но зачастую – это трещины. Материал варисторов склонен к старению, об этом всегда следует помнить. Варисторы, с такими повреждениями, можно не проверять. Они не рабочие.
Множество варисторов по хорошим ценам на алиэкспресс — кликай.
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:
Как работает варистор?
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:
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.