Применение варисторов для ограничения токов короткого замыкания

24.11.2023 |

В статье рассмотрены вопросы применения варисторов для уменьшения токов короткого замыкания, возникающих вследствие отказа компонентов.

А. Мельниченко

Для ограничения тока зарядки конденсаторов обычно используют резисторы. Однако в случае короткого замыкания в конденсаторе ток через резистор многократно возрастает, что может привести к выходу из строя резистора или даже повреждению всего устройства.

Для исключения подобных случаев фирма EPCOS рекомендует использовать выпущенные ею варисторы J20x, выполненные на основе керамики с положительным ТКС.

Основные параметры варисторов:

 число рабочих циклов (при зарядке конденсатора) не менее 100 000

 число циклов переключения (при коротком замыкании конденсатора) не менее 10

 типовая постоянная времени снижения температуры при снятии напряжения 150 с

 типовая теплоемкость 2 Дж/К

 диапазон рабочих температур:

при отсутствии напряжения — от -40 до 125 °C

при максимальном напряжении — от 0 до 85 °C

• габаритные размеры корпуса (ДхШхВ) 19x12.5x24 мм.

Остальные параметры сведены в таблицу.

Тип Сопротивление, Ом Максимальное напряжение, В Температура переключения, °C
J201 20±30% 550 135
J202 56±30% 650 135
J204 100±25% 800 130

Основная область применения варисторов -промышленные источники питания, преобразователи частоты и ИБП, выходная мощность которых находится в диапазоне от 0.5 до 50 кВт. В этих устройствах конденсаторы используются, главным образом, в качестве накопителей энергии.

Для устранения нежелательных бросков тока при зарядке конденсаторов последовательно с ними обычно включают постоянные резисторы или резисторы с отрицательным ТКС, которые после окончания процесса зарядки замыкают накоротко с помощью реле (рис. 1). Ограничение тока зарядки необходимо для предотвращения срабатывания устройств защиты от перегрузки по току.

Рис. 1. Блок-схема выпрямителя со сглаживающим конденсатором

Для уменьшения ущерба, причиняемого изделию при коротком замыкании в конденсаторе или отказе реле, рекомендуется применять самовосстанавливающиеся предохранители семейства J20x. В нормальном режиме они работают как обычные резисторы, ограничивая зарядный ток. В случае короткого замыкания в конденсаторе их температура, а, следовательно, и сопротивление, возрастают (рис. 2). В результате велечина протекающего через них тока снижается до безопасного уровня.

Рис. 2. Зависимость сопротивления варистора с положительным ТКС от его температуры

 

Пример применения варисторов показан на рис. 3. Напряжение трехфазного выпрямителя поступает на конденсатор емкостью 940 мкФ. Для ограничения тока зарядки конденсатора включены параллельно два варистора сопротивлением 100 Ом каждый. Параллельное включение варисторов необходимо для уменьшения количества тепла, выделяемого на каждом из них. Включения одного варистора недостаточно, так как в процессе зарядки конденсатора он может нагреться до высокой температуры. При этом его сопротивление значительно возрастет, в результате чего напряжение на конденсаторе окажется ниже требуемого.

Число варисторов (n), которые необходимо включить параллельно, можно вычислить по формуле:

где:

C — емкость конденсатора, Ф

V — максимальное напряжение на конденсаторе, В

Cth — теплоемкость варистора, Дж/K

TRef — температура переключения варистора, °C

TAmax — максимальная температура воздуха в месте установки варистора, °C.

Допускается как параллельное, так и последовательное соединение варисторов.

Если число варисторов выбрано в соответствии с приведенной формулой, то их макси-

Рис. 3. Пример применения варисторов в схеме трехфазного выпрямителя

мальная температура при зарядке конденсаторов не превысит температуру переключения, а, следовательно, их сопротивление останется низким.

В нормальном режиме замена резисторов варисторами не сказывается на работе схем. Однако картина меняется при возникновении неисправностей.

Рассмотрим, к примеру, поведение схемы при отказе реле. При наличии в схеме резисторов через них будет течь большой ток, вызывающий их разогрев. Если же их заменить варисторами, то спустя 2-4 секунды после включения их сопротивление многократно возрастет и ток уменьшится до безопасного значения, не превышающего нескольких десятков миллиампер (рис. 4).

Рис. 4. Токи через резистор и варистор при отказе реле