Varistance – Symbole, fonctionnement, types et applications
Le petit paquet de résistance, la résistance est utilisée dans tant de circuits, sous tant de formes, qu’elle est presque un composant électrique omniprésent. Depuis les très basiques résistances fixes, dont la résistance reste inchangée, jusqu’aux différents types de résistances variables, dont les résistances changent en fonction de différents facteurs. Les résistances variables sont de différents types ; il y a ceux dans lesquels la longueur effective de la bande résistive joue un rôle dans le changement des résistances comme les potentiomètres et les rhéostats et puis il y a un autre ensemble de résistances variables où un changement manuel de la résistance n’est pas possible, plutôt ils sont sensibles aux facteurs physiques tels que la température, la tension, le champ magnétique, etc.
Nous avons déjà abordé la résistance variable où la résistance peut être modifiée manuellement (comme le potentiomètre et les rhéostats) dans nos articles précédents.
Cet article vous guidera dans le monde d’une résistance qui dépend de la tension, connue sous le nom de Varistances.
Qu’est-ce qu’une Varistance ?
Une Varistance est une résistance variable dont la résistance dépend de la tension appliquée. Le nom a été inventé par mélange linguistique des mots ; » variable » et » résistance « . Elles sont également connues sous le nom de VDR et ont des caractéristiques non ohmiques. Par conséquent, ils relèvent du type non linéaire de résistances.
Contrairement aux potentiomètres et aux rhéostats, où la résistance change d’une valeur minimale à une valeur maximale, ici, dans le Varistor, la résistance change automatiquement avec un changement de la tension appliquée. Ce Varistor possède deux éléments semi-conducteurs, et assure une protection contre les surtensions dans un circuit, de manière similaire à une diode Zener.
Alors, comment la variation de la tension appliquée modifie-t-elle sa résistance ? Eh bien, la réponse réside dans sa composition. Puisqu’elle est composée d’un matériau semi-conducteur, sa résistance plonge lorsque la tension qui la traverse augmente. En cas d’augmentation excessive de la tension, la résistance diminue considérablement. Ce comportement en fait un bon choix pour la protection contre les surtensions dans les circuits sensibles.
Crédit image
Un Varistor dans la vie réelle sont représentés dans la figure ci-dessus. Vous pouvez les confondre avec les condensateurs. Cependant, les Varistors et les condensateurs n’ont rien de plus en commun que leur taille et leur conception.
Un Varistor est utilisé pour supprimer la tension, alors qu’un condensateur ne peut pas remplir de telles fonctions.
Symbole du Varistor
À ses débuts, le Varistor était représenté comme deux diodes placées antiparallèlement l’une à l’autre, comme indiqué sur la figure, en raison de son comportement de diode dans les deux sens de circulation du courant. Cependant, ce symbole est maintenant utilisé pour un DIAC. Dans les circuits modernes, le symbole du Varistor est présenté ci-dessous.
Vous vous demandez peut-être en quoi es un Varistor aide à supprimer les transitoires de tension dans un circuit ? Pour comprendre cela, comprenons d’abord quelle est l’origine du transitoire de tension. L’origine des transitoires de tension dans les circuits et les sources électriques sont indépendamment du fait qu’ils fonctionnent à partir d’une source de courant alternatif ou continu, car leur origine est le circuit lui-même ou ils sont transmis à partir de toute source externe. Ces transitoires se traduisent par une augmentation de la tension à plusieurs milliers de volts, ce qui peut s’avérer catastrophique pour le circuit.
Donc ces transitoires de tension doivent être supprimés.
L’effet L(di/dt) qui est causé par la commutation de bobines inductives, les courants de magnétisation des transformateurs et autres applications de commutation de moteurs à courant continu, est la source la plus courante de transitoire de tension.
La figure ci-dessous montre la forme d’onde d’un transitoire de tension alternative.
La connexion os un Varistor dans un circuit peut se faire comme suit :
- Dans les circuits CA : Phase à neutre ou Phase à Phase
- Dans les circuits DC : Borne positive vers borne négative.
Maintenant, qu’en est-il de la résistance offerte par un Varistor ? La section suivante traite de cela.
Résistance et tension statiques d’un Varistor:
Le nom « Varistor » suggère un dispositif qui fournit une résistance comme un potentiomètre ou un rhéostat, cependant la fonction réelle d’un Varistor est complètement différente d’eux.
Premièrement, le changement de résistance ne peut pas être fait manuellement comme celui dans un pot ou un rhéostat. Deuxièmement, sous une tension de fonctionnement normale, la résistance offerte par un Varistor est très élevée. Lorsque cette tension commence à augmenter brusquement, principalement en raison des transitoires de tension produits dans le circuit ou induits par une source externe, la résistance commence à diminuer rapidement.
La relation entre la résistance statique et la tension aux bornes de la Varistance est illustrée dans la figure ci-dessous.
Fonctionnement d’une Varistance
Pour expliquer le fonctionnement d’une Varistance, utilisons sa caractéristique VI présentée dans la figure ci-dessous pour mieux la comprendre.
La courbe caractéristique V-I du Varistor est similaire à celle d’une diode Zener. Elle est de nature bidirectionnelle, puisque nous constatons qu’elle fonctionne à la fois dans le premier et le troisième quadrant. Cette caractéristique permet de le connecter dans un circuit avec une source AC ou DC. Pour une source AC, il est apte car il peut fonctionner dans les deux directions ou polarités d’une onde sinusoïdale.
La tension de serrage ou la tension du Varistor représentée sur la figure est définie comme la tension jusqu’à laquelle le courant à travers le Varistor est très faible, le plus souvent de l’ordre de quelques milli-ampères. Ce courant est communément appelé courant de fuite. Cette valeur de courant de fuite est due à la résistance élevée de la Varistance, lorsque la tension de serrage est appliquée aux bornes de la Varistance.
En examinant maintenant la caractéristique VI, nous voyons que lorsque la tension aux bornes de la Varistance augmente au-dessus de la tension de serrage, il y a une augmentation abrupte du courant.
Cela se produit en raison de la diminution soudaine de la résistance résultant d’un phénomène appelé le claquage par avalanche, où au-dessus d’une tension de seuil (dans ce cas la tension de serrage), les électrons commencent à circuler rapidement diminuant ainsi la résistance et augmentant le courant à travers la Varistance.
Ce phénomène est utile lors des transitoires de tension, car lorsque le circuit subit une tension transitoire élevée, la tension aux bornes de la Varistance augmente, jusqu’à une valeur supérieure à sa tension nominale (de serrage), ce qui a pour effet d’augmenter le courant et d’agir comme un conducteur.
Une autre caractéristique de la Varistance que l’on peut observer dans les caractéristiques VI est que , même en cas d’augmentation du courant, la tension à ses bornes reste presque égale à la tension de serrage. Cela signifie qu’il agit comme un autorégulateur même en cas de transitoire de tension, ce qui le rend plus approprié pour le même, car il maintient l’augmentation de la tension en échec, pendant un tel événement.
La courbe non linéaire abrupte indique que des courants excessifs peuvent passer à travers le Varistor sur une plage de tension très étroite( indiquant sa propriété autorégulatrice) et écrêter toute pointe de tension.
Capacité dans une Varistance
Comme nous l’avons vu dans les sections précédentes, l’état isolant de la Varistance signifie que la tension appliquée à travers elle est égale ou inférieure à la tension de serrage.
Une Varistance, dans son état non conducteur ou l’état isolant, agit plus comme un condensateur que comme une résistance. Puisque le corps semi-conducteur de la Varistance agit comme un isolant pendant son état isolant, il peut être considéré comme le matériau diélectrique, tandis que les deux bornes peuvent être considérées comme les deux électrodes.
Cela signifie donc que toute Varistance dans son état non conducteur aura une capacité, qui est proportionnelle à la surface du corps semi-conducteur et inversement proportionnelle à l’épaisseur de celui-ci.
Cependant, lorsque la Varistance subit une augmentation de la tension à ses bornes, elle perd sa propriété isolante et commence à conduire. Dans ce cas, elle ne possède plus de capacité.
Si l’on revient au comportement capacitif de la Varistance, une question principale vient à l’esprit. Se comporte-t-il de la même manière pour les circuits alternatifs et continus ?
La réponse à cette question réside dans la fréquence de ces circuits. Comme nous le savons, dans un circuit continu, la fréquence n’a aucun rôle à jouer. Par conséquent, la capacité reste jusqu’à ce que la tension soit égale ou inférieure à la tension nominale.
Dans les circuits alternatifs cependant, le cas est différent. Ici, la fréquence joue un rôle important. Ainsi, dans sa région non conductrice, la capacité de la varistance affecte sa résistance.
Comme ces varistances sont normalement connectées en parallèle à l’appareil électronique à protéger, la résistance de fuite diminue avec une augmentation de la fréquence. La résistance parallèle résultante et la fréquence ont une relation linéaire.
Pour les circuits alternatifs, la réactance capacitive est donnée par la formule
XC = 1/(2Pi.fC)Where f= frequency of the circuit, C=capacitance.
Donc, dans ces circuits, le courant de fuite augmente avec l’augmentation de la fréquence.
Discutons maintenant brièvement des types importants de Varistors.
Types de Varistors
Le type de Varistors dépend du type de matériau de son corps. Les deux types les plus courants de Varistances ont été abordés ci-dessous.
- Varistance en carbure de silicium : Comme on peut le deviner à partir du nom lui-même, le corps de la Varistance est fait de carbure de silicium (SiC). Il était très utilisé autrefois, avant que le nouveau MOV n’arrive sur le marché. Aujourd’hui, ils sont utilisés intensivement dans les applications de haute puissance et de haute tension. Cependant, ils consomment un courant de repos important, ce qui constitue le principal inconvénient de ce type de varistor. En raison de cela, un écart de série est nécessaire pour limiter la consommation de courant en veille.
- Varistances à oxyde métallique (MOV) : Comme les Varistances SiC présentaient de sérieux inconvénients, un autre type de Varistances les Varistances à oxyde métallique ont été développées. Il offre une très bonne protection contre les transitoires de tension et est maintenant assez populaire.
Ici, le corps est constitué d’un oxyde métallique, principalement des grains d’oxyde de zinc. Ceux-ci sont pressés sous forme de masse céramique, avec 90 % de grains d’oxyde de zinc et 10 % d’autres oxydes métalliques comme le cobalt, le bismuth et le manganèse.
Ceci est ensuite pris en sandwich entre les deux plaques métalliques. Les 10 % d’oxydes métalliques de cobalt bismuth et manganèse agissent comme un agent de liaison aux grains d’oxyde de zinc afin qu’il soit maintenu intact entre les deux plaques métalliques. Les bornes de connexion ou les fils sont reliés aux deux plaques métalliques.
La figure ci-dessous montre la structure interne du MOV.
Le principal avantage du MOV par rapport au varistor en carbure de silicium est son faible courant de fuite. Le MOV a un très faible courant de fuite dans des conditions normales de fonctionnement.
De plus, le MOV a des niveaux très élevés de caractéristiques de tension de courant non linéaires.
Un inconvénient de ce type est que, le courant de surtension dépend de la largeur de l’impulsion transitoire et du nombre de répétitions de l’impulsion. Ainsi, pour une impulsion transitoire avec une largeur d’impulsion élevée, le courant de surtension augmentera et pourra causer des problèmes de chauffage.
Cependant, ce chauffage peut être évité en dissipant l’énergie qui est absorbée par l’impulsion transitoire.
Un autre type important de Varistor est présent sur le marché, connu sous le nom de SMD ou surface mount device Varistor. Discutons-en dans la section suivante.
Varistance à dispositif de montage en surface
Elles sont comme toutes les autres Varistances, principalement utilisées dans les circuits de protection. Le corps peut être soit en oxyde métallique, soit en carbure de silicium. La principale différence entre ces Varistors et les Varistors traditionnels est qu’il est de petite taille et est construit en utilisant la technologie de montage en surface. Cela signifie que ces dispositifs peuvent être facilement connectés dans un PCB, puisque leurs fils sont de plus petite taille ou qu’ils ont des broches soudées à des plots sur la surface de la carte, ce qui élimine le besoin de trous dans le PCB.
Certains des varistances SMD populaires comprennent : Série AUML – Suppresseur de surtension transitoire multicouche, Série MLA AUTO – Série de varistances multicouches (MLV) Littelfuse MLA Automotive,
Certains exemples de SMD sont présentés dans la figure ci-dessous :
Crédits images
Conclusion:
Le terme « Varistors » est un amalgame des deux termes variant et résistances. Bien que le nom suggère que ce dispositif fonctionnerait comme un potentiomètre ou un rhéostat, son fonctionnement est complètement différent. Ici, la résistance change par rapport à la tension.
La principale application du Varistor est de protéger les circuits contre les transitoires de tension.
Le corps semi-conducteur des Varistors aide à la même chose. Comme une diode zener, la courbe caractéristique VI du Varistor montre une poussée de courant après une tension de seuil particulière. Cette tension de seuil est appelée tension nominale ou tension de blocage. Lorsque la tension appliquée aux bornes de la varistance est bien inférieure ou égale à la tension de blocage, la varistance présente une résistance élevée et est donc considérée comme étant dans un état isolant. Toutefois, lorsque cette tension augmente au-delà de la tension de blocage, la résistance chute en raison du claquage par avalanche dans le corps semi-conducteur. Dans ce cas, on dit que la Varistance est dans son état conducteur.
Il existe deux principaux types de Varistances disponibles sur le marché à savoir les Varistances en carbure de silicium et en oxyde métallique. Le carbure de silicium a été progressivement remplacé par les Varistances à oxyde métallique car le premier présentait une quantité considérablement élevée de courant de fuite.
Les Varistances sont également disponibles en dispositif de montage en surface qui les aide à être facilement fabriqués dans les circuits PCB.
.