Varistor – Symbol, Funktionsweise, Typen und Anwendungen
Das kleine Widerstandspaket, der Widerstand, wird in so vielen Schaltungen und in so vielen Formen verwendet, dass er fast ein allgegenwärtiges elektrisches Bauteil ist. Von den ganz einfachen Festwiderständen, bei denen der Widerstand unverändert bleibt, bis hin zu den verschiedenen Arten von veränderlichen Widerständen, deren Widerstände sich in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren ändern. Es gibt Widerstände, bei denen die effektive Länge des Widerstandsstreifens eine Rolle bei der Veränderung des Widerstands spielt, wie z. B. bei Potentiometern und Rheostaten, und dann gibt es noch eine Reihe von variablen Widerständen, bei denen eine manuelle Veränderung des Widerstands nicht möglich ist, sondern die auf physikalische Faktoren wie Temperatur, Spannung, Magnetfeld usw. reagieren.
Wir haben den variablen Widerstand, bei dem der Widerstand manuell geändert werden kann (wie Potentiometer und Rheostate), bereits in unseren früheren Artikeln besprochen.
Dieser Artikel führt dich durch die Welt der spannungsabhängigen Widerstände, die als Varistoren bekannt sind.
Was ist ein Varistor?
Ein Varistor ist ein veränderlicher Widerstand, dessen Widerstand von der angelegten Spannung abhängt. Der Name wurde durch eine sprachliche Mischung der Wörter „variierend“ und „Widerstand“ geprägt. Sie sind auch unter dem Namen VDR bekannt und haben nichtohmsche Eigenschaften.
Im Gegensatz zu Potentiometern und Rheostaten, bei denen sich der Widerstand von einem Minimalwert zu einem Maximalwert ändert, ändert sich der Widerstand beim Varistor automatisch mit einer Änderung der angelegten Spannung. Dieser Varistor besteht aus zwei Halbleiterelementen und bietet einen Überspannungsschutz in einem Stromkreis, ähnlich wie eine Zenerdiode.
Wie ändert sich also der Widerstand durch die Änderung der angelegten Spannung? Nun, die Antwort liegt in seiner Zusammensetzung. Da sie aus Halbleitermaterial besteht, sinkt ihr Widerstand, wenn die Spannung über ihr ansteigt. Bei einem übermäßigen Anstieg der Spannung nimmt der Widerstand um ein Vielfaches ab. Dieses Verhalten macht sie zu einer guten Wahl für den Überspannungsschutz in empfindlichen Schaltungen.
Bildnachweis
Ein realer Varistor ist in der obigen Abbildung dargestellt. Man kann sie mit Kondensatoren verwechseln. Varistoren und Kondensatoren haben jedoch nicht mehr gemeinsam als ihre Größe und ihr Design.
Ein Varistor wird verwendet, um Spannungen zu unterdrücken, während ein Kondensator solche Funktionen nicht erfüllen kann.
Varistor-Symbol
In seinen Anfängen wurde der Varistor als zwei antiparallel zueinander geschaltete Dioden dargestellt, wie in der Abbildung gezeigt, da er sich in beiden Stromflussrichtungen wie eine Diode verhält. Heute wird dieses Symbol jedoch für einen DIAC verwendet. In modernen Schaltungen wird das Symbol für einen Varistor wie folgt dargestellt.
Sie fragen sich vielleicht, wie ein Varistor bei der Unterdrückung von Spannungsspitzen in einer Schaltung hilft? Um dies zu verstehen, müssen wir zunächst wissen, was die Quelle von Spannungsspitzen ist. Der Ursprung von Spannungstransienten in elektrischen Schaltungen und Quellen ist unabhängig davon, ob sie von einer Wechsel- oder Gleichstromquelle betrieben werden, da ihr Ursprung in der Schaltung selbst liegt oder sie von einer externen Quelle übertragen werden. Diese Transienten führen zu einem Spannungsanstieg auf mehrere tausend Volt, was sich als katastrophal für den Stromkreis erweisen kann.
Daher müssen diese Spannungstransienten unterdrückt werden.
Der L(di/dt)-Effekt, der durch das Schalten von Induktionsspulen, Transformator-Magnetisierungsströmen und anderen Gleichstrommotor-Schaltanwendungen verursacht wird, ist die häufigste Quelle von Spannungstransienten.
Die folgende Abbildung zeigt die Wellenform einer Wechselspannungstransiente.
Der Anschluss eines Varistors in einem Stromkreis kann wie folgt erfolgen:
- In Wechselstromkreisen: Phase an Nullleiter oder Phase an Phase
- In Gleichstromkreisen: Pluspol zu Minuspol.
Wie sieht es nun mit dem Widerstand aus, den ein Varistor bietet? Der nächste Abschnitt befasst sich damit.
STATISCHER WIDERSTAND UND SPANNUNG EINES VARISTORS:
Der Name „Varistor“ deutet auf ein Gerät hin, das einen Widerstand wie ein Potentiometer oder ein Rheostat bietet, aber die tatsächliche Funktion eines Varistors unterscheidet sich völlig von ihnen.
Erstens kann die Änderung des Widerstands nicht wie bei einem Potentiometer oder einem Rheostat manuell vorgenommen werden. Zweitens ist der Widerstand, den ein Varistor bietet, bei normaler Betriebsspannung sehr hoch. Wenn diese Spannung abrupt ansteigt, meist aufgrund von Spannungsspitzen, die im Stromkreis erzeugt oder von einer externen Quelle induziert werden, beginnt der Widerstand schnell zu sinken.
Das Verhältnis zwischen dem statischen Widerstand und der Spannung am Varistor ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Arbeitsweise eines Varistors
Um die Funktionsweise eines Varistors zu erklären, wollen wir die in der folgenden Abbildung dargestellte VI-Charakteristik verwenden, um ihn besser zu verstehen.
Die V-I-Kennlinie eines Varistors ist ähnlich wie die einer Zener-Diode. Er ist bidirektional, da er sowohl im ersten als auch im dritten Quadranten arbeitet. Aufgrund dieser Eigenschaft eignet er sich für den Anschluss an eine Schaltung mit Wechsel- oder Gleichstromquelle. Für eine Wechselstromquelle ist er geeignet, da er in beiden Richtungen oder Polaritäten einer Sinuswelle arbeiten kann.
Die in der Abbildung gezeigte Klemmspannung oder Varistorspannung ist definiert als die Spannung, bis zu der der Strom durch den Varistor sehr niedrig ist, meist in der Größenordnung von einigen Milliampere. Dieser Strom wird gemeinhin als Leckstrom bezeichnet.
Betrachtet man nun die VI-Kennlinie, so stellt man fest, dass der Strom schlagartig ansteigt, wenn die Spannung über dem Varistor über die Klemmenspannung hinaus ansteigt.
Dies geschieht aufgrund des plötzlichen Widerstandsabfalls, der aus einem Phänomen resultiert, das als Lawinendurchbruch bezeichnet wird und bei dem oberhalb einer Schwellenspannung (in diesem Fall der Klemmenspannung) die Elektronen schnell zu fließen beginnen, wodurch der Widerstand sinkt und der Strom durch den Varistor steigt.
Dies ist bei Spannungsspitzen hilfreich, denn wenn der Stromkreis eine hohe Spitzenspannung erfährt, steigt die Spannung über dem Varistor auf einen Wert, der über seiner Nennspannung (Klemmenspannung) liegt, was wiederum den Strom erhöht und als Leiter wirkt.
Ein weiteres Merkmal des Varistors, das aus den VI-Kennlinien ersichtlich ist, besteht darin, dass selbst bei einem Stromanstieg die Spannung über dem Varistor fast gleich der Klemmenspannung bleibt. Das bedeutet, dass der Varistor selbst bei Spannungsspitzen wie ein Selbstregulator wirkt, was ihn für denselben Zweck besser geeignet macht, da er den Spannungsanstieg während eines solchen Ereignisses in Schach hält.
Die steile, nicht lineare Kurve zeigt an, dass übermäßige Ströme über einen sehr engen Spannungsbereich durch den Varistor fließen können (was auf seine selbstregulierende Eigenschaft hinweist) und jede Spannungsspitze abfangen.
Kapazität in einem Varistor
Wie in den vorangegangenen Abschnitten erörtert, bedeutet der isolierende Zustand des Varistors, dass die an ihn angelegte Spannung gleich oder geringer ist als die Klemmspannung.
Ein Varistor wirkt in seinem nichtleitenden oder isolierenden Zustand eher wie ein Kondensator als ein Widerstand. Da sich der Halbleiterkörper des Varistors in seinem isolierenden Zustand wie ein Isolator verhält, kann er als dielektrisches Material betrachtet werden, während die beiden Anschlüsse als die beiden Elektroden angesehen werden können.
Das bedeutet, dass jeder Varistor in seinem nichtleitenden Zustand eine Kapazität hat, die proportional zur Fläche des Halbleiterkörpers und umgekehrt proportional zur Dicke desselben ist.
Wenn der Varistor jedoch eine Spannungserhöhung erfährt, verliert er seine isolierende Eigenschaft und beginnt zu leiten. In diesem Fall besitzt er keine Kapazität mehr.
Wenn wir also auf das Kondensatorverhalten des Varistors zurückkommen, stellt sich vor allem eine Frage. Verhält er sich in Wechsel- und Gleichstromkreisen gleich?
Die Antwort auf diese Frage liegt in der Frequenz dieser Kreise. Wie wir wissen, spielt die Frequenz in einem Gleichstromkreis keine Rolle. Daher bleibt die Kapazität so lange erhalten, bis die Spannung gleich oder kleiner als die Nennspannung ist.
In Wechselstromkreisen ist der Fall jedoch anders. Hier spielt die Frequenz eine wichtige Rolle. So wirkt sich die Kapazität des Varistors in seinem nichtleitenden Bereich auf seinen Widerstand aus.
Da diese Varistoren in der Regel parallel zu dem zu schützenden elektronischen Gerät geschaltet werden, sinkt der Ableitwiderstand mit steigender Frequenz. Der daraus resultierende Parallelwiderstand und die Frequenz stehen in einem linearen Verhältnis.
Für Wechselstromkreise ergibt sich der kapazitive Blindwiderstand aus der Formel
XC = 1/(2Pi.fC)Where f= frequency of the circuit, C=capacitance.
Daher steigt in diesen Kreisen der Ableitstrom mit zunehmender Frequenz.
Nun wollen wir die wichtigsten Typen von Varistoren kurz besprechen.
Typen von Varistoren
Die Art der Varistoren hängt von der Materialart ihres Körpers ab. Die beiden gängigsten Varistortypen werden im Folgenden erläutert.
- Siliziumkarbidvaristor: Wie der Name schon vermuten lässt, besteht der Körper des Varistors aus Siliziumkarbid (SiC). Dieses Material wurde früher häufig verwendet, bevor das neue MOV auf den Markt kam. Heute werden sie vor allem in Hochleistungs- und Hochspannungsanwendungen eingesetzt. Sie verbrauchen jedoch einen beträchtlichen Ruhestrom, und das ist der größte Nachteil dieser Art von Varistor. Aus diesem Grund ist eine Serienlücke erforderlich, um den Standby-Stromverbrauch zu begrenzen.
- Metalloxid-Varistoren (MOV): Da SiC-Varistoren einige schwerwiegende Nachteile aufweisen, wurde eine andere Art von Varistoren, die Metalloxid-Varistoren, entwickelt. Er bietet einen sehr guten Schutz gegen Spannungsspitzen und ist heute recht beliebt.
Hier besteht der Körper aus einem Metalloxid, meist Zinkoxidkörnern. Diese werden zu einer keramischen Masse gepresst, die zu 90 % aus Zinkoxidkörnern und zu 10 % aus anderen Metalloxiden wie Kobalt, Wismut und Mangan besteht.
Diese wird dann zwischen die beiden Metallplatten geklemmt. Die 10 % der Metalloxide von Kobalt, Wismut und Mangan wirken als Bindemittel für die Zinkoxidkörner, so dass sie zwischen den beiden Metallplatten intakt bleiben. Die Anschlussklemmen oder die Leitungen sind mit den beiden Metallplatten verbunden.
Die folgende Abbildung zeigt den inneren Aufbau des MOV.
Der Hauptvorteil des MOV gegenüber dem Siliziumkarbid-Varistor ist sein geringer Leckstrom. MOV hat einen sehr niedrigen Leckstrom bei normalen Betriebsbedingungen.
Außerdem hat MOV ein sehr hohes Maß an nicht linearer Strom-Spannungs-Charakteristik.
Ein Nachteil dieses Typs ist, dass der Stoßstrom von der Breite des transienten Impulses und der Anzahl der Impulswiederholungen abhängt. So steigt bei einem transienten Impuls mit einer hohen Impulsbreite der Stoßstrom an und kann zu Erwärmungsproblemen führen.
Diese Erwärmung kann jedoch vermieden werden, indem die Energie, die vom transienten Impuls absorbiert wird, abgeleitet wird.
Ein weiterer wichtiger Typ von Varistor ist auf dem Markt, bekannt als SMD oder oberflächenmontierter Varistor. Wir wollen sie im nächsten Abschnitt besprechen.
Surface Mount Device Varistor
Sie werden wie alle anderen Varistoren hauptsächlich in Schutzschaltungen verwendet. Der Körper kann entweder aus Metalloxid oder Siliziumkarbid bestehen. Der Hauptunterschied zwischen diesen Varistoren und den herkömmlichen Varistoren besteht darin, dass sie klein sind und in Oberflächenmontagetechnik hergestellt werden. Das bedeutet, dass diese Bauelemente leicht an eine Leiterplatte angeschlossen werden können, da ihre Anschlüsse kleiner sind oder sie Stifte haben, die an Pads auf der Oberfläche der Leiterplatte gelötet sind, wodurch Löcher in der Leiterplatte überflüssig werden.
Zu den beliebtesten SMD-Varistoren gehören Serie AUML – Multilayer Transient Voltage Surge Suppressor, Serie MLA AUTO – Littelfuse MLA Automotive Multi-Layer Varistor (MLV) Serie,
Ein paar SMD-Beispiele sind in der folgenden Abbildung dargestellt:
Bildnachweis
Fazit:
Der Begriff „Varistoren“ ist eine Verschmelzung der beiden Begriffe Varistor und Widerstand. Obwohl der Name vermuten lässt, dass dieses Gerät wie ein Potentiometer oder ein Rheostat funktioniert, ist seine Funktionsweise völlig anders. Hier ändert sich der Widerstand in Abhängigkeit von der Spannung.
Die Hauptanwendung des Varistors ist der Schutz der Schaltkreise vor Spannungsspitzen.
Der Halbleiterkörper des Varistors hilft dabei. Wie eine Zenerdiode zeigt die VI-Kennlinie des Varistors einen Stromanstieg nach einer bestimmten Schwellenspannung. Diese Schwellenspannung wird als Nennspannung oder Klemmspannung bezeichnet. Wenn die an den Varistor angelegte Spannung deutlich unter oder gleich der Klemmspannung liegt, weist der Varistor einen hohen Widerstand auf und befindet sich daher in seinem isolierenden Zustand. Steigt die Spannung jedoch über die Klemmenspannung hinaus, sinkt der Widerstand infolge des Lawinendurchbruchs im Halbleiterkörper. In diesem Fall befindet sich der Varistor im leitenden Zustand.
Es gibt zwei Haupttypen von Varistoren, die auf dem Markt erhältlich sind, nämlich Siliziumkarbid- und Metalloxid-Varistoren. Siliziumkarbid wurde allmählich durch Metalloxid-Varistoren ersetzt, da erstere einen beträchtlich hohen Leckstrom aufweisen.
Varistoren sind auch als oberflächenmontierbare Bauteile erhältlich, die sich leicht in Leiterplattenschaltungen einbauen lassen.