Не так давно мы рассмотрели такую интересную тему, как переменные резисторы и их потенциальную замену достаточно интересными решениями. 

На мой взгляд, рассмотрение той темы было бы неполным, если бы не рассмотреть ещё и крайне интересный и, в буквальном смысле, «крайний» вариант — когда резистор не пропускает ток вообще!:‑)  

Выглядит странновато, и вообще, возникает вопрос — «а зачем же тогда такой резистор и вовсе нужен?!», но, тем не менее, и такие интересные элементы в электронике бывают!

Правда, носят они название уже не резистора, а «варистора», и, уверен, что знакомы далеко не всем, в виду чего и будет интересным их рассмотрение… 

Как мы знаем, в электрической области существует ряд устройств, которые носят, так называемый, «обратимый характер» — например, многим известно, что обычный электродвигатель постоянного тока (маленький, даже для небольших самоделок) может служить как электродвигателем (если получает подпитку током извне), так и генератором, если подпитка током отключена и ротор двигателя механически вращается. 

Однако, есть ведь ещё здесь и третий вариант: допустим электродвигатель был включен, раскрутился, после чего питание на нём отключили, и тогда — всё верно: он становится генератором и пока вращается по инерции ротор — бывший электродвигатель превращается в генератор и начинает генерировать ток, направляя его в обратную сторону — в сторону управляющих схем. Соответственно, силовые схемы должны содержать защиту и от такого тока… А ведь двигатель может быть и существенно большего размера и мощности! И что тогда? 

А теперь, предположим, что в качестве испытуемого у нас не электродвигатель, — а какая‑либо катушка, например, с сердечником, то есть, электромагнит: многие знают, что электромагнит (в частности) и катушки (в целом) обладают свойством обратимости — то есть, могут запасать энергию электрического тока в электромагнитном поле. 

Что это означает: когда мы подаём ток на электромагнит — он намагничивается, когда же мы отключаем питание от электромагнита — начинается так называемое «схлопывание» электромагнитного поля, в виду чего, по проводам в обратную сторону отправляется мощный импульс тока.

Какие последствия могут быть у этого: если это небольшой электромагнит хобби‑уровня — это зачастую не проблема (хотя, опять же, зависит, каким образом реализовано его питание от управляющих схем); но что делать, если электромагнит поистине исполинских размеров и мощности — наподобие тех, которые используются на металлических свалках: поднимают огромные рельсы, старые смятые автомобили, огромные куски машин? 

При отключении питания у такого исполина — он сгенерирует огромный импульс в обратном направлении (с большой силой тока и высоким напряжением), который с лёгкостью сожжёт всю управляющую электронику!

И вот как раз для защиты участков электрических цепей в таких и подобных случаях и используют специальный элемент, который называется «Варистор» (Variable resistor — Переменный Резистор (хотя, на мой взгляд, это название для него не сильно корректно) или ещё могут называть VDR — Voltage‑dependent Resistor — Резистор Управляемый Напряжением), и обозначается на схемах в виде следующего значка:

Ниже показаны некоторые принципиальные схемы и как могут быть встроены в них варисторы:

Кстати говоря, использование варисторов не ограничивается только применением их в мощных силовых сетях наподобие свалочных электромагнитов — можно сказать, что их можно ставить во многих местах, где есть опасность кратких выплесков обратного тока, от всевозможных катушек, электромагнитов, дросселей… 

Скажем, известно, что в прошлом, их устанавливали на телефонных линиях, чтобы защитить уши слушателей от громких щелчков, при перекоммутации линий (на фото ниже — варисторы для телефонных линий 1950-х годов):

Обычно варистор подключается параллельно той самой катушке/электромагниту, которая и может создать опасность остальной электрической схеме. 

В нормальном своём состоянии — он почти не проводит ток, и вся схема работает так, как и положено; однако, стоит только отключить, например, электромагнит от питания, как он начинает генерировать высокое напряжение, на определённое пороговое значение которого и подбирается варистор и устанавливается параллельно на входе этого электромагнита — как только напряжение превысило определённое пороговое значение — варистор открывается и закорачивает ток через себя!

Да, при этом он разогревается — но, в этом и заключается вся соль: варистор, по сути, защищает всю остальную схему, так как опасный импульс тока проходит через него, закорачиваясь и рассеиваясь в виде тепла, где при этом, опционально, если варистор предназначен на достаточно большие токи, он может содержать и отдельную систему радиаторного охлаждения.

Стоит упомянуть, что варисторы открываются не сразу, а с определённым, относительно плавным по времени включением, можно сказать, что у них есть определенная вольт‑амперная характеристика — то есть, как взаимосвязано напряжение на контактах варистора, с пропускаемым током. 

Например, ниже показана вольт‑амперная характеристика для наиболее распространённых варисторов на основе оксида цинка (ZnO) и карбида кремния (SiC):

Вольт‑амперная характеристика варистора представляет собой всего лишь графическое отображение сути происходящих в нём физических процессов — так как мы говорим о резисторе (хотя и весьма специфическом), то, можно сказать, что она отображает, как меняется сопротивление резистора по мере приложения к нему разной величины напряжения.

Другими словами, говорят, что варистор представляет собой полупроводниковый резистор, сопротивление которого меняется по определённому закону, в зависимости от приложенного напряжения. 

Попутно отмечаем для себя любопытный факт: большинство из нас, наверняка, думало, что понятие полупроводников накрепко связано с транзисторами и диодами, однако, как выясняется, и резисторы могут быть полупроводниковыми!:‑) 

Что ещё из интересного мы можем для себя почерпнуть, если посмотрим на вольт‑амперную характеристику выше? 

А то же, что обычно пишут про него в литературе: вольт‑амперная характеристика варистора симметрична — то есть, он с лёгкостью может быть использован в сетях, как переменного, так и постоянного тока, другими словами — он не имеет полярности (шанса перепутать полярность при установке нет).

Ещё один важный факт мы можем заметить для себя глядя на ту же самую вольт‑амперную характеристику: что карбид кремния (SiC) является исторически более первым материалом, срабатывает более плавно; в противовес ему, на данный момент, имеется гораздо более современный материал — оксид цинка (ZnO), который срабатывает гораздо более резко, а также, обладает большей долговечностью.

Глядя на такие необычные свойства «как бы резистора, но как бы и не резистора», возникает естественное желание узнать, а как же он устроен, скажем так, на низком уровне? 

Чтобы понять это, я тут нашёл для вас кое‑какую технологическую карту (правда, несколько старенькую, но принцип понять годится) по производству варисторов из карбида кремния:

Как можно видеть, основным принципом производства варисторов является прессование и последующий обжиг (при температурах примерно 777°С..1227°С) карбида кремния, где в качестве связующего может использоваться жидкое стекло, глина, или фарфор, с последующим нанесением электродов на его рабочие поверхности, а также покрытием влагозащитными и декоративными составами.

Другими словами, если кратко выразить суть устройства варистора, то можно сказать, что он представляет собой своеобразный брикет из прессованных зёрен полупроводника (такая формулировка поможет нам понять то, что будет ниже). 

При этом зёрна не сплавлены друг с другом, а только плотно спечены (то есть температурно соединены)!

Говоря же о механизме действия варистора, принято считать, что здесь в ход вступает несколько факторов:

• Относительное увеличение напряжения на контактах варистора приводит к увеличению эмиссии с острых граней зёрен, из которых он состоит, что, соответственно, увеличивает и проводимость, за счёт увеличения площади проводника, пропорционально приложенному напряжению;

• Несмотря на то, что варистор представляет собой спечёную массу из зерен полупроводника — эти зёрна в нём развёрнуты хаотично и равновероятно, а также их очень много: другими словами, именно это и объясняет, почему он, несмотря на то, что составлен из полупроводника — пропускает ток в обоих направлениях, а не только в одном, как, например, диод;

• Частичный пробой оксидных плёнок на поверхности полупроводника тоже увеличивает проводимость;

• Некоторый нагрев контактирующих между собой точек зёрен, между которыми протекает электрический ток (при нагреве сопротивление уменьшается).

Кстати говоря, выше мы упоминали то, что основным принципом действия варистора является замыкание протекающего тока, в виду чего, для эффективного рассеивания выделяющейся теплоты, мощные варисторы могут даже содержать радиаторы охлаждения. 

Исходя из этого, логично было бы предположить, что такое действо отнюдь не позитивно скажется на долговечности этого элемента — и это правда: они имеют ограниченное количество срабатываний, так как, можно сказать, что, по сути, они физически разрушаются при каждом срабатывании, и это их минус… 

С целью несколько нивелировать эту проблему, варисторы могут подбираться с запасом по мощности, чтобы выделяющаяся теплота рассеивалась на относительно большой площади, минимально повреждая его. 

Таким образом, мы видим, что в электронике иной раз встречаются весьма интересные классы элементов, о существовании которых сложно даже подозревать — полупроводниковые резисторы… 

Где, тем не менее, благодаря своим свойствам они нашли широкое применение в деле защиты от выплесков электроэнергии, надёжно защищая электронные схемы простым и недорогим способом: просто перевести этот импульс в тепло, почти не почувствовав этого… Кто ещё так может?:‑)

Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.