Varistor – symbol, činnost, typy a použití
Malý obal odporu, rezistor, se používá v tolika obvodech a v tolika podobách, že je téměř všudypřítomnou elektrickou součástkou. Od zcela základních pevných rezistorů, u nichž se odpor nemění, až po různé typy proměnných rezistorů, jejichž odpory se mění podle různých faktorů. Proměnné rezistory jsou různých typů; existují takové, u nichž při změně odporu hraje roli efektivní délka odporového pásku, jako jsou potenciometry a reostaty, a pak existuje další sada proměnných rezistorů, u nichž ruční změna odporu není možná, spíše jsou citlivé na fyzikální faktory, jako je teplota, napětí, magnetické pole atd.
V našich předchozích článcích jsme se již zabývali proměnnými rezistory, u nichž lze odpor měnit ručně (jako jsou potenciometry a reostaty).
Tento článek vás provede světem rezistorů závislých na napětí, známých jako varistory.
Co je varistor?
Varistor je proměnný rezistor, jehož odpor závisí na přiloženém napětí. Název vznikl jazykovým spojením slov; „varistor“ a „rezistor“. Jsou známé také pod názvem VDR a mají neohmické vlastnosti. Proto patří mezi nelineární typy rezistorů.
Na rozdíl od potenciometrů a reostatů, kde se odpor mění z minimální hodnoty na maximální, se zde u varistoru odpor mění automaticky se změnou přiloženého napětí. Tento varistor má dva polovodičové prvky a zajišťuje ochranu proti přepětí v obvodu, podobně jako Zenerova dioda.
Jak tedy změna přiloženého napětí mění jeho odpor? Odpověď spočívá v jeho složení. Protože je vyroben z polovodičového materiálu, jeho odpor klesá s rostoucím napětím na něm. Při nadměrném zvýšení napětí se odpor na něm mnohonásobně sníží. Díky tomuto chování jsou vhodnou volbou pro přepěťovou ochranu v citlivých obvodech.
Obrázek Kredit
Reálné varistory jsou zobrazeny na obrázku výše. Můžete si je splést s kondenzátory. Varistory a kondenzátory však nemají společného nic víc než velikost a konstrukci.
Varistor se používá k potlačení napětí, zatímco kondenzátor takové funkce plnit nemůže.
Symbol varistoru
V počátcích byl varistor znázorňován jako dvě diody umístěné antiparalelně k sobě, jak je znázorněno na obrázku, a to kvůli jeho chování podobnému diodě v obou směrech toku proudu. Nyní se však tento symbol používá pro DIAC. V moderních obvodech je symbol pro varistor uveden níže.
Možná vás zajímá, jak es varistor pomáhá při potlačování přechodových napětí v obvodu? Abychom tomu porozuměli, pojďme nejprve pochopit, co je zdrojem přechodného napětí. Původ přechodných jevů napětí v elektrických obvodech a zdrojích je bez ohledu na to, zda fungují ze střídavého nebo stejnosměrného zdroje, protože jejich původ je v samotném obvodu nebo jsou přenášeny z jakýchkoli vnějších zdrojů. Tyto přechodné jevy mají za následek zvýšení napětí až na několik tisíc voltů, což se může ukázat jako katastrofální pro obvod.
Tyto přechodné jevy je proto třeba potlačit.
Nejčastějším zdrojem přechodného napětí je L(di/dt) jev, který je způsoben spínáním indukčních cívek, magnetizačními proudy transformátorů a dalšími spínacími aplikacemi stejnosměrných motorů.
Na následujícím obrázku je znázorněn průběh střídavého přechodového jevu.
Zapojení os varistoru v obvodu lze provést následujícím způsobem:
- V obvodech střídavého napětí:
- V obvodech stejnosměrného proudu: Fáze s nulou nebo fáze s fází
- V obvodech stejnosměrného proudu: Fáze s nulou nebo fáze s fází:
Jaký odpor nabízí varistor? Tomu se věnuje následující kapitola.
STATISTICKÝ ODPOR A NAPĚTÍ VARISTORU:
Název „varistor“ napovídá o zařízení, které poskytuje odpor jako potenciometr nebo reostat, avšak skutečná funkce varistoru je od nich zcela odlišná.
Předně, změnu odporu nelze provádět ručně jako u potenciometru nebo reostatu. Za druhé, při běžném provozním napětí je odpor, který varistor nabízí, velmi vysoký. Jakmile se toto napětí začne prudce zvyšovat, většinou v důsledku přechodných napětí vznikajících v obvodu nebo indukovaných z vnějšího zdroje, začne odpor rychle klesat.
Závislost mezi statickým odporem a napětím na varistoru je znázorněna na obrázku níže.
Fungování varistoru
Pro vysvětlení fungování varistoru, využijeme jeho VI charakteristiku znázorněnou na obrázku níže, abychom ji lépe pochopili.
Křivka V-I charakteristiky varistoru je podobná jako u Zenerovy diody. Má obousměrný charakter, protože vidíme, že pracuje v prvním i třetím kvadrantu. Díky této vlastnosti je vhodný k zapojení do obvodu se střídavým nebo stejnosměrným zdrojem. Pro střídavý zdroj je vhodná, protože může fungovat v obou směrech nebo polaritách sinusového průběhu.
Svorkové napětí neboli napětí Varistoru uvedené na obrázku je definováno jako napětí, do kterého je proud procházející Varistorem velmi malý, většinou v řádu několika miliampérů. Tento proud se běžně nazývá svodový proud. Tato hodnota unikajícího proudu je způsobena vysokým odporem Varistoru, když je na Varistor přiloženo svorkové napětí.
Podíváme-li se nyní na charakteristiku VI, vidíme, že při zvýšení napětí na Varistoru nad svorkové napětí dochází k prudkému nárůstu proudu.
Děje se tak v důsledku náhlého poklesu odporu v důsledku jevu zvaného lavinový průraz, kdy nad prahovým napětím (v tomto případě svorkovým napětím) začnou rychle proudit elektrony, čímž se sníží odpor a zvýší proud Varistorem.
To pomáhá při přechodných napěťových jevech, protože když v obvodu vznikne vysoké přechodné napětí, napětí na Varistoru se zvýší na hodnotu vyšší, než je jeho jmenovité (svorkové) napětí, což zase zvýší proud a působí jako vodič.
Další vlastností Varistoru, která je patrná z charakteristiky VI, je, že , i když dojde ke zvýšení proudu, napětí na něm zůstává téměř stejné jako svorkové napětí. To znamená, že se chová jako samoregulátor i v případě přechodného napětí, takže je pro něj vhodnější, protože během takové události udržuje nárůst napětí na uzdě.
Strmá nelineární křivka naznačuje, že varistorem mohou procházet nadměrné proudy ve velmi úzkém rozsahu napětí ( což naznačuje jeho samoregulační vlastnost) a ořezat jakýkoli nárůst napětí.
Kapacita ve varistoru
Jak bylo uvedeno v předchozích částech, izolační stav varistoru znamená, že napětí přiložené na varistor je rovné nebo menší než svorkové napětí.
Varistor se ve svém nevodivém nebo izolačním stavu chová spíše jako kondenzátor než jako rezistor. Protože polovodičové těleso varistoru se v izolačním stavu chová jako izolant, lze jej považovat za dielektrikum, zatímco obě svorky lze považovat za dvě elektrody.
To znamená, že každý varistor v nevodivém stavu bude mít kapacitu, která je úměrná ploše polovodičového tělesa a nepřímo úměrná jeho tloušťce.
Jakmile se však na varistoru zvýší napětí, ztratí svou izolační vlastnost a začne vést. V tomto případě již nemá kapacitu.
Vrátíme-li se tedy ke kondenzátorovému chování varistoru, napadá nás jedna hlavní otázka. Chová se stejně pro obvody střídavého i stejnosměrného proudu?
Odpověď na tuto otázku spočívá ve frekvenci těchto obvodů. Jak víme, ve stejnosměrném obvodu nehraje frekvence žádnou roli. Kapacita tedy zůstává, dokud je napětí rovné nebo menší než jmenovité napětí.
V obvodech střídavého proudu je však situace jiná. Zde hraje důležitou roli frekvence. Kapacita varistoru tak ve své nevodivé oblasti ovlivňuje jeho odpor.
Protože jsou tyto varistory obvykle připojeny paralelně k elektronickému zařízení, které má být chráněno, s rostoucí frekvencí klesá svodový odpor. Výsledná paralelní rezistance a frekvence mají lineární vztah.
Pro obvody střídavého proudu je kapacitní reaktance dána vzorcem
XC = 1/(2Pi.fC)Where f= frequency of the circuit, C=capacitance.
V těchto obvodech tedy s rostoucí frekvencí roste unikající proud.
Nyní si ve stručnosti probereme důležité typy varistorů.
Typy varistorů
Typ varistoru závisí na typu materiálu jeho tělesa. Níže jsou popsány dva nejběžnější typy varistorů.
- Varistor z karbidu křemíku: Jak lze vytušit ze samotného názvu, tělo varistoru je vyrobeno z karbidu křemíku (SiC). Kdysi dávno se hojně používal, než přišel na trh nový MOV. Nyní se intenzivně používají v aplikacích s vysokým výkonem a napětím. Odebírají však značný pohotovostní proud, a to je hlavní nevýhoda tohoto typu varistoru. Z tohoto důvodu je k omezení spotřeby v pohotovostním režimu nutná sériová mezera.
- Varistory na bázi oxidů kovů (MOV): Protože SiC varistory měly některé závažné nevýhody, byl vyvinut další typ varistorů, varistory na bázi oxidů kovů. Poskytuje velmi dobrou ochranu proti přechodným napětím a je nyní poměrně populární.
Těleso je zde vyrobeno z oxidu kovu, většinou ze zrn oxidu zinečnatého. Ta jsou slisována jako keramická hmota, v níž je 90 % zrn oxidu zinečnatého a 10 % dalších oxidů kovů, jako je kobalt, vizmut a mangan.
Tato hmota je pak vložena mezi dvě kovové desky. Desetiprocentní podíl oxidů kovů kobaltu, vizmutu a manganu působí jako pojivo na zrna oxidu zinečnatého, takže zůstávají neporušená mezi dvěma kovovými deskami. Spojovací svorky nebo přívody jsou připojeny k oběma kovovým deskám.
Následující obrázek ukazuje vnitřní strukturu MOV.
Hlavní výhodou MOV oproti varistoru z karbidu křemíku je nízký svodový proud. MOV má za normálních provozních podmínek velmi nízký unikající proud.
Také MOV má velmi vysoké úrovně nelineárních napěťových charakteristik.
Jednou z nevýhod tohoto typu je, že, nárazový proud závisí na šířce přechodového impulsu a počtu opakování impulsu. V případě přechodového impulsu s velkou šířkou impulsu se tedy nárazový proud zvýší a může způsobit problémy se zahříváním.
Tomu zahřívání však lze zabránit odvedením energie, která je absorbována z přechodového impulsu.
Na trhu je přítomen další důležitý typ varistoru, známý jako SMD neboli varistor pro povrchovou montáž. Probereme si je v následující části.
Varistor pro povrchovou montáž
Stejně jako všechny ostatní varistory se většinou používají v ochranných obvodech. Těleso může být buď z oxidu kovu, nebo z karbidu křemíku. Hlavní rozdíl mezi těmito varistory a tradičními varistory spočívá v tom, že mají malé rozměry a jsou vyrobeny technologií povrchové montáže. To znamená, že tato zařízení lze snadno zapojit do desky plošných spojů, protože jejich vývody mají menší rozměry nebo mají vývody připájené k podložkám na povrchu desky, čímž odpadá potřeba otvorů v desce plošných spojů.
Mezi oblíbené varistory SMD patří např:
Některé příklady SMD varistorů jsou zobrazeny na obrázku níže: řada AUML – vícevrstvý tlumič přepětí, řada MLA AUTO – vícevrstvý varistor (MLV) Littelfuse MLA Automotive,
Některé příklady SMD varistorů jsou zobrazeny na obrázku níže:
Obrázek Credits
Závěr:
Termín „varistory“ je spojením dvou termínů variátor a rezistor. Ačkoli název napovídá, že by toto zařízení fungovalo podobně jako potenciometr nebo reostat, jeho fungování je zcela odlišné. Odpor se zde mění v závislosti na napětí.
Hlavní využití varistoru spočívá v ochraně obvodů před přechodným napětím.
Polovodičové těleso varistorů tomu napomáhá. Stejně jako u Zenerovy diody ukazuje charakteristická křivka VI varistoru nárůst proudu po dosažení určitého prahového napětí. Toto prahové napětí se nazývá jmenovité napětí nebo svorkové napětí. Když je napětí přiložené na varistor výrazně nižší nebo rovno svorkovému napětí, má varistor vysoký odpor, a proto se říká, že je v izolačním stavu. Jakmile však toto napětí vzroste nad svorkové napětí, odpor klesá v důsledku lavinového průrazu v polovodičovém tělese. V tomto případě se o varistoru říká, že je ve vodivém stavu.
Na trhu jsou k dispozici dva hlavní typy varistorů, a to varistory z karbidu křemíku a varistory z oxidu kovu. Karbid křemíku byl postupně nahrazen varistory na bázi oxidů kovů, protože ty první měly značně vysoký svodový proud.
Varistory jsou k dispozici také v provedení pro povrchovou montáž, které umožňuje jejich snadnou výrobu v obvodech plošných spojů.