Varistor – Símbolo, Funcionamiento, Tipos y Aplicaciones
El pequeño paquete de resistencia, el resistor, se utiliza en tantos circuitos, en tantas formas, que es un componente eléctrico casi omnipresente. Desde las muy básicas resistencias fijas, en las que la resistencia permanece invariable, hasta los diferentes tipos de resistencias variables, cuyas resistencias cambian en función de diferentes factores. Las resistencias variables son de diferentes tipos; las hay en las que la longitud efectiva de la banda resistiva juega un papel en el cambio de las resistencias como los potenciómetros y reóstatos y luego hay otro conjunto de resistencias variables en las que no es posible un cambio manual de la resistencia, sino que son sensibles a factores físicos como la temperatura, la tensión, el campo magnético, etc.
Ya hemos hablado en nuestros artículos anteriores de las resistencias variables en las que la resistencia se puede cambiar manualmente (como el potenciómetro y los reóstatos).
Este artículo le guiará por el mundo de una resistencia que depende de la tensión, conocida como los Varistores.
¿Qué es un Varistor?
Un Varistor es una resistencia variable cuya resistencia depende de la tensión aplicada. El nombre ha sido acuñado por la mezcla lingüística de las palabras; «variable» y «resistencia». También se conocen con el nombre de VDR y tienen características no óhmicas. Por lo tanto, entran en el tipo de resistencias no lineales.
A diferencia de los potenciómetros y reóstatos, donde la resistencia cambia de un valor mínimo a un valor máximo, aquí en el Varistor la resistencia cambia automáticamente con un cambio en la tensión aplicada. Este Varistor tiene dos elementos semiconductores, y proporciona una protección contra la sobretensión en un circuito, similar a un diodo Zener.
Entonces, ¿cómo el cambio de la tensión aplicada cambia su resistencia? Bueno, la respuesta está en su composición. Como está hecho de material semiconductor, su resistencia disminuye a medida que aumenta la tensión a través de él. Cuando hay un aumento excesivo de la tensión, la resistencia a través de él disminuye en gran medida. Este comportamiento los convierte en una buena opción para la protección contra sobretensiones en circuitos sensibles.
Crédito de la imagen
En la figura anterior se muestra un Varistor de la vida real. Usted puede confundirlos con los condensadores. Sin embargo, los varistores y los condensadores no tienen nada más en común que su tamaño y diseño.
Un varistor se utiliza para suprimir la tensión, mientras que un condensador no puede realizar tales funciones.
Símbolo del varistor
En sus inicios, el varistor se representaba como dos diodos colocados en antiparalelo entre sí, como se muestra en la figura, debido a su comportamiento similar al de un diodo en ambas direcciones del flujo de corriente. Sin embargo, ahora ese símbolo se utiliza para un DIAC. En los circuitos modernos, el símbolo del Varistor se muestra a continuación.
Se preguntará cómo ayuda un Varistor a suprimir los transitorios de tensión en un circuito. Para entender esto, entendamos primero cuál es el origen de los transitorios de tensión. El origen de los transitorios de tensión en los circuitos y fuentes eléctricas es independiente de si operan desde una fuente de CA o CC, ya que su origen es desde el propio circuito o se transmiten desde cualquier fuente externa. Estos transitorios dan lugar a un aumento de la tensión hasta varios miles de voltios, lo que puede resultar catastrófico para el circuito.
De ahí que sea necesario suprimir estos transitorios de tensión.
El efecto L(di/dt) que se produce por la conmutación de bobinas inductivas, corrientes de magnetización de transformadores y otras aplicaciones de conmutación de motores de corriente continua, es la fuente más común de transitorios de tensión.
La figura siguiente muestra la forma de onda de un transitorio de CA.
La conexión de un Varistor en un circuito puede realizarse de la siguiente manera:
- En circuitos de CA: Fase a neutro o Fase a Fase
- En circuitos de CC: Terminal positivo a negativo.
¿Ahora qué pasa con la resistencia que ofrece un Varistor? La siguiente sección trata de eso.
RESISTENCIA ESTÁTICA Y TENSIÓN DE UN VARISTOR:
El nombre «Varistor» sugiere de un dispositivo que proporciona resistencia como un potenciómetro o un reóstato, sin embargo la función real de un Varistor es completamente diferente de ellos.
En primer lugar, el cambio de resistencia no puede hacerse manualmente como en un pote o un reóstato. En segundo lugar, bajo una tensión de funcionamiento normal, la resistencia que ofrece un Varistor es muy alta. Cuando esta tensión empieza a aumentar bruscamente, sobre todo debido a los transitorios de tensión producidos en el circuito o inducidos desde una fuente externa, la resistencia empieza a disminuir rápidamente.
La relación entre la resistencia estática y la tensión a través del Varistor se muestra en la siguiente figura.
Funcionamiento de un Varistor
Para explicar el funcionamiento de un Varistor, vamos a utilizar su característica VI mostrada en la figura siguiente para entenderlo mejor.
La curva característica V-I del Varistor es similar a la de un diodo Zener. Es de naturaleza bidireccional, ya que vemos que opera tanto en el primer como en el tercer cuadrante. Esta característica hace que sea adecuado para conectarlo en un circuito con una fuente de CA o de CC. Para una fuente de CA es apto ya que puede funcionar en cualquiera de los dos sentidos o polaridades de una onda sinusoidal.
La tensión de apriete o la tensión del Varistor que se muestra en la figura se define como la tensión hasta la cual la corriente que atraviesa el Varistor es muy baja, casi siempre del orden de unos pocos miliamperios. Esta corriente se denomina comúnmente corriente de fuga. Este valor de la corriente de fuga se debe a la alta resistencia del Varistor, cuando la tensión de sujeción se aplica a través del Varistor.
Ahora mirando la característica VI, vemos que a medida que la tensión a través del Varistor aumenta por encima de la tensión de sujeción, hay un aumento abrupto de la corriente.
Esto ocurre debido a la disminución repentina de la resistencia resultante de un fenómeno llamado ruptura de avalancha, donde por encima de una tensión umbral (en este caso la tensión de sujeción) los electrones comienzan a fluir rápidamente disminuyendo así la resistencia y aumentando la corriente a través del Varistor.
Esto ayuda durante los transitorios de voltaje, ya que cuando el circuito experimenta un alto voltaje transitorio, el voltaje a través del Varistor aumenta, a un valor mayor que su voltaje nominal (de sujeción), que a su vez aumenta la corriente y actúa como conductor.
Otra característica del Varistor que se puede ver en las características de VI es que , incluso cuando hay un aumento de la corriente, el voltaje a través de él permanece casi igual a la tensión de sujeción. Esto significa que actúa como un autorregulador incluso en el caso de un transitorio de voltaje, lo que lo hace más adecuado para el mismo, ya que mantiene el aumento de voltaje bajo control, durante tal evento.
La curva no lineal empinada indica que las corrientes excesivas pueden pasar a través del Varistor en un rango muy estrecho de voltaje( indicando su propiedad de autorregulación) y recortar cualquier pico de voltaje.
Capacitancia en un Varistor
Como se ha comentado en apartados anteriores, el estado de aislamiento del Varistor significa que la tensión aplicada a través de él es igual o menor que la tensión de apriete.
Un Varistor, en su estado no conductor o de aislamiento, actúa más como un condensador que como una resistencia. Dado que el cuerpo semiconductor del Varistor actúa como un aislante durante su estado aislante, puede considerarse como el material dieléctrico, mientras que los dos terminales pueden considerarse como los dos electrodos.
Esto significa que cualquier Varistor en su estado no conductor tendrá una capacitancia, que es proporcional al área del cuerpo semiconductor e inversamente proporcional al grosor del mismo.
Sin embargo, cuando el Varistor experimenta un aumento de la tensión a través de él, pierde su propiedad aislante y comienza a conducir. En este caso, ya no posee una capacitancia.
Así que volviendo al comportamiento del condensador del Varistor, una pregunta principal viene a la mente. ¿Se comporta de la misma manera en circuitos de CA y de CC?
La respuesta a esta pregunta está en la frecuencia de estos circuitos. Como sabemos, en un circuito de corriente continua, la frecuencia no juega ningún papel. Por lo tanto, la capacitancia permanece hasta que la tensión es igual o menor que la tensión nominal.
En los circuitos de CA sin embargo, el caso es diferente. Aquí la frecuencia juega un papel importante. Así, en su región no conductora, la capacitancia del Varistor afecta a su resistencia.
Dado que estos Varistores se conectan normalmente en paralelo al dispositivo electrónico a proteger, la resistencia de fuga cae con un aumento de la frecuencia. La resistencia paralela resultante y la frecuencia tienen una relación lineal.
Para los circuitos de corriente alterna, la reactancia capacitiva viene dada por la fórmula
XC = 1/(2Pi.fC)Where f= frequency of the circuit, C=capacitance.
Así, en estos circuitos la corriente de fuga aumenta con el incremento de la frecuencia.
Ahora vamos a discutir los tipos importantes de Varistores en breve.
Tipos de Varistores
El tipo de Varistores depende del tipo de material de su cuerpo. Los dos tipos más comunes de Varistores se han discutido a continuación.
- Varistor de carburo de silicio: Como se puede adivinar por el propio nombre, el cuerpo del Varistor está hecho de Carburo de Silicio (SiC). Se utilizaba mucho en el pasado, antes de que el nuevo MOV llegara al mercado. Ahora se utilizan intensamente en aplicaciones de alta potencia y alto voltaje. Sin embargo, consumen una importante corriente de reposo y éste es el principal inconveniente de este tipo de varistor. Debido a esto, se requiere un hueco en serie para limitar el consumo de energía en espera.
- Varistores de óxido metálico (MOV): Como los Varistores de SiC tenían algunos inconvenientes graves, se desarrolló otro tipo de Varistores los Varistores de óxido metálico. Proporciona una muy buena protección contra transitorios de tensión y ahora es bastante popular.
Aquí el cuerpo está hecho de un óxido de metal, en su mayoría granos de óxido de zinc. Estos se prensan como una masa cerámica, con un 90 % de granos de Óxido de Zinc y un 10 % de otros óxidos metálicos como cobalto, bismuto y manganeso.
Esto se intercala entre las dos placas metálicas. El 10% de óxidos metálicos de cobalto, bismuto y manganeso actúan como un agente aglutinante de los granos de óxido de zinc para que se mantenga intacto entre las dos placas metálicas. Los terminales de conexión o los cables están conectados a las dos placas metálicas.
La figura siguiente muestra la estructura interna del MOV.
La mayor ventaja del MOV sobre el varistor de carburo de silicio es su baja corriente de fuga. El MOV tiene una corriente de fuga muy baja en condiciones normales de funcionamiento.
También el MOV tiene unos niveles muy altos de características de tensión de corriente no lineal.
Una desventaja de este tipo es que, la corriente de sobretensión depende de la anchura del pulso transitorio y del número de repeticiones del pulso. Por lo tanto, para un pulso transitorio con un ancho de pulso alto, la corriente de sobretensión aumentará y puede causar problemas de calentamiento.
Sin embargo, este calentamiento se puede evitar disipando la energía que se absorbe del pulso transitorio.
Otro tipo importante de Varistor está presente en el mercado, conocido como SMD o dispositivo de montaje superficial Varistor. Vamos a hablar de ellos en la siguiente sección.
Varistor de dispositivo de montaje superficial
Son como todos los demás Varistores, mayormente utilizados en circuitos de protección. El cuerpo puede ser de óxido metálico o de carburo de silicio. La principal diferencia entre estos Varistores y los Varistores tradicionales es que su tamaño es pequeño y se construye utilizando la tecnología de montaje superficial. Esto significa que estos dispositivos se pueden conectar fácilmente en una placa de circuito impreso, ya que sus cables son de menor tamaño o tienen clavijas soldadas a almohadillas en la superficie de la placa, eliminando la necesidad de agujeros en la placa de circuito impreso.
Algunos de los varistores SMD populares incluyen: Serie AUML – Supresor de sobretensiones transitorias multicapa, Serie MLA AUTO – Serie de varistores multicapa (MLV) para automoción de Littelfuse,
En la siguiente figura se muestran algunos ejemplos de SMD:
Créditos de la imagen
Conclusión:
El término «Varistores» es una amalgama de los dos términos variar y resistencias. Aunque el nombre sugiere que este dispositivo funcionaría como un potenciómetro o un reóstato, su funcionamiento es completamente diferente. Aquí la resistencia cambia con respecto a la tensión.
La principal aplicación del Varistor es en la protección de los circuitos contra los transitorios de tensión.
El cuerpo semiconductor de los Varistores ayuda en el mismo. Al igual que un diodo zener, la curva característica VI del Varistor muestra un aumento de la corriente después de una determinada tensión umbral. Esta tensión umbral se denomina tensión nominal o tensión de bloqueo. Cuando la tensión aplicada a través del Varistor está muy por debajo o es igual a la tensión de bloqueo, el Varistor tiene una alta resistencia y por lo tanto se dice que está en su estado de aislamiento. Sin embargo, cuando esta tensión aumenta por encima de la tensión de apriete, la resistencia disminuye como resultado de la ruptura de avalancha en el cuerpo del semiconductor. En este caso, se dice que el Varistor está en su estado de conducción.
Hay dos tipos principales de Varistores disponibles en el mercado: el carburo de silicio y los Varistores de óxido metálico. El carburo de silicio fue sustituido gradualmente por los varistores de óxido metálico, ya que los primeros tenían una cantidad considerablemente alta de corriente de fuga.
Los varistores también están disponibles en dispositivos de montaje superficial que ayudan a fabricarlos fácilmente en circuitos de PCB.