Varistorul este un dispozitiv semiconductor pasiv solid-state cu două terminale, care este utilizat pentru a asigura protecția circuitelor electrice și electronice.

Spre deosebire de siguranța sau întrerupătorul de circuit care oferă o protecție împotriva supracurentului, varistorul asigură o protecție la supratensiune, prin intermediul unei fixări de tensiune în mod similar cu cea a diodei zener.

În multe privințe, varistorul arată similar la dimensiune și design unui condensator și este adesea confundat ca fiind unul. Totuși, un condensator nu poate suprima salturile de tensiune în același mod în care un varistor poate. Atunci când se aplică un salt de înaltă tensiune la un circuit, rezultatul este, de obicei, catastrofal pentru circuit, deci varistorul joacă un rol important în protecția circuitelor delicate electronice de vârfurile de comutare și de tranzițiile de tensiune.

Tensiunile tranzitorii provin dintr-o varietate de circuite și surse electrice, indiferent dacă acestea funcționează dintr-o sursă de alimentare AC sau DC, deoarece acestea sunt adesea generate în circuit sau transmise în circuit din surse externe. Tranzițiile dintr-un circuit se pot ridica rapid crescând tensiunea la câteva mii de volți și aceste vârfuri de tensiune trebuie împiedicate să apară pe circuite și componente electronice delicate.

Una dintre cele mai comune surse de tranziții de tensiune este efectul L (di/dt) cauzat de comutarea bobinelor inductive și a curenților de magnetizare a transformatorului, a aplicațiilor de comutare a motorului DC și a supratensiunilor de la pornirea circuitelor de iluminare fluorescentă sau a altor surse de alimentare.

Tranziții ale formei de undă AC

Varistoarele sunt conectate în circuite pe o sursă de alimentare fie de la fază la neutru, de la fază la fază pentru funcționare AC sau de la pozitiv la negativ pentru funcționare DC și au o tensiune nominală corespunzătoare aplicației lor. Un varistor poate fi utilizat pentru stabilizarea tensiunii DC și în special pentru protecția circuitelor electronice împotriva impulsurilor de tensiune mare.

Rezistența statică a varistorului

În condiții normale de funcționare, varistorul are o rezistență foarte mare, funcționând în mod similar cu dioda zener, permițând tensiunilor de prag inferioare să treacă neafectate.

Atunci când tensiunea pe varistor (fie polaritatea) depășește valoarea nominală a varistorului, rezistența sa efectivă scade puternic cu creșterea tensiunii așa cum se vede.

Știm din Legea lui Ohm că caracteristicile de curent-tensiune (I-V) ale unui rezistor fix sunt o linie dreaptă cu condiția ca R să fie ținut constant. Atunci, curentul este direct proporțional cu diferența potențială dintre capetele rezistorului.

Dar curba I-V ale unui varistor nu este o linie dreaptă, deoarece o mică variație de tensiune determină o schimbare semnificativă a curentului. O curbă caracteristică tipică curent- tensiune pentru un varistor standard este dată mai jos.

Curba caracteristică varistorului

Putem observa că varistorul are caracteristici bidirecționale simetrice, adică varistorul funcționează în ambele direcții (cadranul I și III) ale unei forme de undă sinusoidală comportându-se în mod similar cu două diode zener conectate spate-în-spate. Când nu conduce, curba I-V prezintă o relație liniară, deoarece curentul care trece prin varistor rămâne constant și scăzut la doar câțiva microamperi de curent de "scurgere". Acest lucru se datorează faptului că rezistența sa ridicată acționează ca un circuit deschis și rămâne constantă până când tensiunea pe varistor (fie polaritatea) ajunge la o anumită "tensiune nominală".

Această tensiune nominală sau fixată este tensiunea pe varistor măsurată cu curentul DC specificat de 1 mA. Adică, nivelul de tensiune DC aplicat pe terminalele sale, care permite un curent de 1 mA să curgă prin corpul rezistiv al varistorului, care, el însuși, este dependent de materialele utilizate în construcția sa. La acest nivel de tensiune, varistorul începe să se schimbe de la starea izolatoare la starea sa de conducție.

Atunci când tensiunea tranzitorie pe varistor este egală sau mai mare decât valoarea nominală, rezistența dispozitivului devine dintr-o dată foarte mică, transformând varistorul într-un conductor, datorită efectului de avalanșă al materialului său semiconductor. Micul curent de scurgere care curge prin varistor crește rapid, dar tensiunea pe acesta este limitată la un nivel chiar deasupra tensiunii de varistor.

Cu alte cuvinte, varistorul auto-reglează tensiunea tranzitorie pe el, permițând unui curent mai mare să curgă prin el și datorită curbei sale I-V abrupt neliniară, acesta poate trece curenți variabili în mare măsură pe o gamă îngustă de tensiune înlăturând orice vârf de tensiune.

Valori ale capacității varistorului

Deoarece regiunea de conducție principală a unui varistor între cele două terminale se comportă ca un dielectric, sub tensiunea de fixare, varistorul acționează ca un condensator mai degrabă decât ca un rezistor. Fiecare varistor cu semiconductor are o valoare de capacitate care depinde direct de suprafața sa și variază invers proporțional cu grosimea sa.

Atunci când se utilizează în circuite DC, capacitatea varistorului rămâne mai mult sau mai puțin constantă, cu condiția ca tensiunea aplicată să nu crească peste nivelul tensiune de fixare și scade brusc în apropierea tensiunii DC maxime.

În circuitele AC, această capacitate afectează rezistența corpului dispozitivului în regiunea de scurgere neconductoare a caracteristicilor sale I-V. Deoarece acestea sunt în mod normal conectate în paralel cu un dispozitiv electric pe care îl protejează împotriva tensiunilor, rezistența la scurgere a varistoarelor scade rapid cu creșterea frecvenței.

Această relație este aproximativ liniară cu frecvența și rezistența paralelă rezultată, reactanța sa Xc poate fi calculată utilizând 1/2πfC ca pentru un condensator normal. Atunci, când frecvența crește, și curentul de scurgere va crește.

Dar, la fel ca varistorul bazat pe semiconductor de siliciu, au fost dezvoltate varistoare de oxid metalic pentru a depăși unele dintre limitările asociate cu verii lor din carbură de siliciu.

Varistor oxid metalic

Metal Oxide Varistor sau MOV pentru scurt, este un rezistor dependent de tensiune, în care materialul de rezistență este un oxid metalic, în principal oxid de zinc (ZnO) presate într-un material ca ceramica. Varistoarele din oxid de metal constau din ~ 90% oxid de zinc ca material de bază ceramic plus alte materiale de umplutură pentru formarea de joncțiuni între granulele de oxid de zinc.

Varistoarele cu oxid de metal sunt acum cele mai comune tipuri de dispozitive de fixare a tensiunii și sunt disponibile pentru utilizare într-o gamă largă de tensiuni și curenți. Folosirea unui oxid metalic în construcția lor înseamnă că MOV-urile sunt extrem de eficiente în absorbția tranzițiilor de tensiune pe termen scurt și au capacități mai mari de manevrare a energiei.

La fel ca în cazul varistorului normal, varistorul cu oxid de metal începe să fie conductiv la o anumită tensiune și oprește conducția când tensiunea scade sub tensiunea de prag. Principalele diferențe între un varistor cu carbură de siliciu (SiC) și un varistor tip MOV sunt că curentul de scurgere prin materialul oxid de zinc al MOV este foarte mic în condiții normale de funcționare, iar viteza de funcționare a acestuia este mult mai rapidă.

MOV-urile au, în general, conductori radiali și o acoperire epoxidică albastră sau neagră exterioară, care seamănă foarte mult cu condensatoarele ceramice tip disc și pot fi montate fizic pe plăcile de circuite și PCB-uri într-o manieră similară. Construcția unui varistor tipic de oxid metalic este dată mai jos:

Construcția varistorului din oxid metalic

Pentru a selecta MOV-ul corect pentru o anumită aplicație, este de dorit să aveți cunoștințe despre impedanța sursei și posibila putere pulsată a tranzițiilor. Pentru tranzițiile de intrare pe linie sau fază, selectarea corectă a MOV este puțin mai dificilă, deoarece, în general, caracteristicile alimentării cu energie nu sunt cunoscute. În general, selecția MOV pentru protecția electrică a circuitelor de tranziții și vârfuri de alimentare este adesea puțin mai mult decât o presupune-re educată.

Varistoarele cu oxid de metal sunt disponibile într-o gamă largă de tensiuni de varistor, de la aproximativ 10 volți la peste 1000 de volți AC sau DC, deci selecția poate fi ajutată de cunoașterea tensiunii de alimentare. De exemplu, selectarea unui MOV sau a unui varistor cu siliciu, pentru tensiune: tensiunea nominală rms maximă continuă a acestuia ar trebui să fie mai mare decât cea mai mare tensiune de alimentare așteptată, de exemplu 130 volți rms pentru o sursă de 120 volți și 260 volți pentru o sursă de 230 volți.

Valoarea maximă a supracurentului pe care un varistor o va lua depinde de lățimea impulsului tranzitoriu și de numărul de repetări ale impulsurilor. Ipotezele pot fi făcute pe lățimea unui impuls tranzitoriu, care este de obicei de 20 până la 50 de microsecunde (μs) lungime. Dacă vârful pulsului de curent nominal este insuficient, atunci varistorul se poate supraîncălzi și se poate deteriora. Deci, pentru ca un varistor să funcționeze fără nici o defecțiune sau degradare, trebuie să fie capabil să disipeze rapid energia absorbită a impulsului tranzitoriu și să se întoarcă în condiții de siguranță în starea de pre-impuls.

Aplicații pentru varistoare

Varistoarele au multe avantaje și pot fi utilizate în numeroase tipuri de aplicații pentru suprimarea tranzițiilor la bornele de rețea de la aparatele de uz casnic și a iluminării la echipamentele industriale pe ambele linii de curent alternativ sau de curent continuu. Varistoarele pot fi conectate direct pe sursele de alimentare și pe întrerupătoarele semiconductoare pentru protecția tranzistoarelor, a punților MOSFET și tiristor.

Rezumat VARISTOR

Am văzut că funcția de bază a unui rezistor dependent de tensiune, sau VDR, este de a proteja dispozitivele electronice și circuitele electrice împotriva supratensiunilor și vârfurilor de tensiune, cum ar fi cele generate de tranzițiile de comutare inductivă.

Astfel de varistoare sunt folosite în circuite electronice sensibile pentru a se asigura că dacă tensiunea depășește brusc o valoare predeterminată, varistorul va deveni în mod efectiv un scurtcircuit pentru a proteja circuitul pe care îl șuntează de la tensiune excesivă, deoarece este capabil să reziste la curenții de vârf de sute de amperi.

Varistoarele sunt un tip de rezistor cu o caracteristică I-V neliniară, non-ohmică și reprezintă un mijloc de încredere și economic de a asigura protecție împotriva supratensiunilor și tranzițiilor de tensiune.

Acestea realizează acest lucru acționând ca un dispozitiv de blocare cu rezistență ridicată la tensiuni mai mici și ca un dispozitiv de conducție cu rezistență scăzută la tensiuni mai mari. Eficacitatea unui varistor în protejarea unui circuit electric sau electronic depinde de alegerea corectă a varistorului în ceea ce privește tensiunea, curentul și disiparea energiei.

Varistoarele cu oxid metalic, sau MOV-uri, sunt de obicei realizate dintr-un material oxid de zinc sub forma unui disc mic. Acestea sunt disponibile în mai multe valori pentru anumite intervale de tensiune. Tensiunea nominală a MOV, numit "tensiunea varistorului", este tensiunea pe un varistor când un curent de 1 mA este trecut prin dispozitiv. Acest nivel al tensiunii de varistor este în esență punctul pe curba caracteristică I-V când dispozitivul începe să conducă. Varistoarele cu oxid de metal pot fi, de asemenea, conectate în serie pentru a mări tensiunea nominală de fixare.

În timp ce varistoarele cu oxid de metal sunt utilizate pe scară largă în multe circuite electronice de curent alternativ pentru a proteja împotriva tensiunilor tranzitorii, există și alte tipuri de dispozitive solid-state de suprimare a tensiunii, cum ar fi diode, diode zener și supresoare, care pot fi toate utilizate, în unele aplicații de suprimare a tensiunii AC sau DC, împreună cu Varistoare.