Varisztor – Jelkép, működés, típusok és alkalmazások
Az ellenállás kis csomagját, az ellenállást olyan sok áramkörben, olyan sokféle formában használják, hogy szinte mindenütt jelen lévő elektromos alkatrész. A nagyon alapvető fix ellenállásoktól kezdve, ahol az ellenállás változatlan marad, a különböző típusú változó ellenállásokig, amelyek ellenállása különböző tényezők függvényében változik. A változó ellenállások különböző típusúak; vannak olyanok, amelyekben az ellenállás szalag tényleges hossza szerepet játszik az ellenállások megváltoztatásában, mint a potenciométerek és a reosztátok, majd vannak más változó ellenállások, ahol az ellenállás kézi módosítása nem lehetséges, inkább érzékenyek az olyan fizikai tényezőkre, mint a hőmérséklet, a feszültség, a mágneses tér stb.
A korábbi cikkeinkben már tárgyaltuk a változó ellenállást, ahol az ellenállás manuálisan változtatható (mint a potenciométer és a reosztátok).
Ez a cikk a feszültségtől függő ellenállások, az úgynevezett varisztorok világába kalauzol el.
Mi az a varisztor?
A varisztor egy változó ellenállás, amelynek ellenállása az alkalmazott feszültségtől függ. Az elnevezés a szavak nyelvi keveredéséből jött létre; “változó” és “ellenállás”. VDR néven is ismertek, és nem ohmos jellemzőkkel rendelkeznek. Ezért a nem lineáris típusú ellenállások közé tartoznak.
A potenciométerekkel és reosztátokkal ellentétben, ahol az ellenállás egy minimális értékről egy maximális értékre változik, itt a varisztorban az ellenállás automatikusan változik az alkalmazott feszültség változásával. Ez a varisztor két félvezető elemmel rendelkezik, és a Zener-diódához hasonlóan túlfeszültség-védelmet biztosít az áramkörben.
Hogyan változtatja meg az ellenállást az alkalmazott feszültség változása? Nos, a válasz az összetételében rejlik. Mivel félvezető anyagból készül, az ellenállása csökken, ahogy a rajta lévő feszültség nő. Ha a feszültség túlzottan megnő, az ellenállás rajta sokszorosan csökken. Ez a viselkedés teszi őket jó választássá az érzékeny áramkörök túlfeszültség-védelmére.
Image Credit
A fenti ábrán egy valódi varisztor látható. Összetéveszthetjük őket a kondenzátorokkal. A varisztorokban és a kondenzátorokban azonban a méretükön és kialakításukon kívül semmi más közös nincs.
A varisztort feszültség elnyomására használják, míg egy kondenzátor nem képes ilyen funkciókat ellátni.
Varisztor szimbólum
A varisztort a korai időkben két, egymással antiparallel elhelyezett diódaként ábrázolták, ahogy az ábrán látható, a diódaszerű viselkedése miatt az áramáram mindkét irányában. Most azonban ezt a szimbólumot DIAC-ra használják. A modern áramkörökben a varisztor szimbóluma az alábbiakban látható.
. Standard SymbolElgondolkodhat azon, hogy hogyan segít egy varisztor a feszültség tranziensek elfojtásában egy áramkörben? Ennek megértéséhez először is értsük meg, mi a feszültség tranziens forrása. A feszültség Tranziens eredete az elektromos áramkörökben és forrásokban függetlenül attól, hogy AC vagy DC forrásból működnek-e, mivel eredetük magából az áramkörből származik, vagy bármilyen külső forrásból továbbítják őket. Ezek a tranziensek több ezer voltos feszültségnövekedést eredményeznek, ami az áramkör számára katasztrofálisnak bizonyulhat.
Ezért ezeket a feszültség tranzienseket el kell fojtani.
A feszültség tranziensek leggyakoribb forrása az L(di/dt) hatás, amelyet az induktív tekercsek kapcsolása, a transzformátorok mágnesezési árama és más egyenáramú motorok kapcsolási alkalmazásai okoznak.
Az alábbi ábra egy váltakozó áramú tranziens hullámformáját mutatja.
A varisztor bekötése egy áramkörbe a következőképpen történhet:
- Váltakozó áramkörökben: Fázis a semlegeshez vagy fázis a fázishoz
- Az egyenáramú áramkörökben: Pozitív a negatív kapocshoz.
Most mi a helyzet a varisztor által kínált ellenállással? A következő szakasz ezzel foglalkozik.
VARISZTOR ÁLLANDÓ ellenállása és feszültsége:
A “Varisztor” név egy olyan eszközre utal, amely ellenállást biztosít, mint egy potenciométer vagy egy reosztát, azonban a varisztor tényleges funkciója teljesen különbözik tőlük.
Először is, az ellenállás változása nem történhet manuálisan, mint egy potban vagy egy reosztátban. Másodszor, normál üzemi feszültség mellett a varisztor által kínált ellenállás nagyon magas. Ahogy ez a feszültség hirtelen emelkedni kezd, többnyire az áramkörben keletkező vagy külső forrásból indukált feszültségtranziensek miatt, az ellenállás gyorsan csökkenni kezd.
A statikus ellenállás és a varisztoron keresztüli feszültség közötti kapcsolatot az alábbi ábra mutatja.
A varisztor működése
A varisztor működésének magyarázatához, használjuk az alábbi ábrán látható VI karakterisztikáját, hogy jobban megértsük.
A varisztor V-I jelleggörbéje hasonló a Zener-diódáéhoz. Kétirányú természetű, mivel azt látjuk, hogy az első és a harmadik kvadránsban is működik. Ez a tulajdonsága alkalmassá teszi arra, hogy AC vagy DC forrással rendelkező áramkörbe csatlakoztassa. Váltakozó áramforráshoz alkalmas, mivel a szinuszhullám mindkét irányában vagy polaritásában működhet.
Az ábrán látható szorítófeszültséget vagy a varisztor feszültségét úgy határozzuk meg, mint azt a feszültséget, amelyig a varisztoron keresztül folyó áram nagyon alacsony, többnyire néhány milliamperes nagyságrendű. Ezt az áramot általában szivárgási áramnak nevezik. Ez a szivárgási áram értéke a varisztor nagy ellenállásának köszönhető, amikor a zárófeszültséget a varisztoron keresztül alkalmazzuk.
A VI karakterisztikát vizsgálva azt látjuk, hogy amint a varisztoron keresztüli feszültség a zárófeszültség fölé emelkedik, az áram hirtelen megnő.
Ez az ellenállás hirtelen csökkenése miatt történik, amely az úgynevezett lavina-összeomlásból ered, ahol egy küszöbfeszültség (ebben az esetben a zárófeszültség) felett az elektronok gyorsan áramlani kezdenek, ezáltal csökken az ellenállás és nő az áram a varisztoron keresztül.
Ez segít a feszültségtranziensek során, mivel amikor az áramkörben magas tranziens feszültség jelentkezik, a varisztoron átmenő feszültség a névleges (záró) feszültségnél nagyobb értékre nő, ami viszont növeli az áramot és vezetőként működik.
A varisztor másik jellemzője, amely a VI karakterisztikából látható, hogy , még az áram növekedése esetén is, a rajta lévő feszültség majdnem egyenlő marad a zárófeszültséggel. Ez azt jelenti, hogy önszabályozóként viselkedik még feszültség tranziens esetén is, így alkalmasabbá válik ugyanerre, mivel egy ilyen esemény során a feszültségnövekedést ellenőrzés alatt tartja.
A meredek nem lineáris görbe azt jelzi, hogy a túlzott áramok nagyon szűk feszültségtartományban áthaladhatnak a varisztoron (ami jelzi az önszabályozó tulajdonságát), és levágja a feszültség bármely tüskéjét.
Kapacitás a varisztorban
A korábbi fejezetekben tárgyaltak szerint a varisztor szigetelő állapota azt jelenti, hogy a rajta alkalmazott feszültség egyenlő vagy kisebb, mint a szorítófeszültség.
A varisztor nem vezető állapotban vagy szigetelő állapotban inkább úgy viselkedik, mint egy kondenzátor, mint egy ellenállás. Mivel a varisztor félvezető teste szigetelő állapotban szigetelőként viselkedik, dielektromos anyagnak tekinthető, míg a két terminál a két elektródának tekinthető.
Ez tehát azt jelenti, hogy a nem vezető állapotban lévő varisztor kapacitása arányos a félvezető test területével és fordítottan arányos annak vastagságával.
Amint azonban a varisztoron megemelkedik a feszültség, elveszíti szigetelő tulajdonságát és vezetni kezd. Ebben az esetben már nem rendelkezik kapacitással.
Így visszatérve a varisztor kondenzátoros viselkedésére, egy fő kérdés merül fel. Ugyanúgy viselkedik váltakozó és egyenáramú áramkörök esetén?
A válasz erre a kérdésre az áramkörök frekvenciájában rejlik. Mint tudjuk, hogy egy egyenáramú áramkörben nincs szerepe a frekvenciának. Ezért a kapacitás addig marad, amíg a feszültség egyenlő vagy kisebb, mint a névleges feszültség.
A váltakozó áramkörökben azonban más a helyzet. Itt a frekvencia fontos szerepet játszik. Így a nem vezető tartományban a varisztor kapacitása befolyásolja az ellenállását.
Mivel ezek a varisztorok általában párhuzamosan vannak csatlakoztatva a védendő elektronikus eszközzel, a szivárgási ellenállás a frekvencia növekedésével csökken. Az így kapott párhuzamos ellenállás és a frekvencia lineáris kapcsolatban áll.
Váltakozó áramkörök esetén a kapacitív reaktancia a következő képlettel adódik
XC = 1/(2Pi.fC)Where f= frequency of the circuit, C=capacitance.
Ezért ezekben az áramkörökben a szivárgási áram a frekvencia növekedésével nő.
Most tárgyaljuk röviden a varisztorok fontos típusait.
Varisztorok típusai
A varisztorok típusa a testének anyagtípusától függ. A varisztorok két leggyakoribb típusát az alábbiakban tárgyaljuk.
- Szilícium-karbid varisztor: Amint az már a nevéből is kitalálható, a varisztor teste szilícium-karbidból (SiC) készül. Egyszer régen széles körben használták, mielőtt az új MOV megjelent a piacon. Most intenzíven használják nagy teljesítményű, nagyfeszültségű alkalmazásokban. Azonban jelentős készenléti áramot vesznek fel, és ez a legnagyobb hátránya ennek a típusú varisztornak. Emiatt soros résre van szükség a készenléti áramfelvétel korlátozásához.
- Fémoxid-varisztorok (MOV): Mivel a SiC varisztoroknak volt néhány komoly hátránya, a varisztorok egy másik típusát, a fém-oxid varisztorokat fejlesztették ki. Nagyon jó feszültség tranziens védelmet nyújt, és ma már igen népszerű.
Itt a testet fémoxidból, többnyire cink-oxid szemcsékből készítik. Ezeket kerámiatömeggé préselik, amely 90 %-ban cink-oxid szemcséket és 10 %-ban más fém-oxidokat, például kobaltot, bizmutot és mangánt tartalmaz.
Ezt azután a két fémlemez közé szorítják. A 10 % kobalt-bizmut és mangán fémoxidok kötőanyagként hatnak a cink-oxid szemcsékre, így azok épségben maradnak a két fémlemez között. Az összekötő kapcsok vagy a vezetékek a két fémlemezhez csatlakoznak.
Az alábbi ábra a MOV belső szerkezetét mutatja.
A MOV fő előnye a szilícium-karbid varisztorral szemben az alacsony szivárgási áram. Az MOV nagyon alacsony szivárgási árammal rendelkezik normál üzemi körülmények között.
Az MOV nagyon magas szintű, nem lineáris áramfeszültségi jellemzőkkel rendelkezik.
Az egyik hátránya ennek a típusnak az, hogy a túlfeszültségi áram a tranziens impulzus szélességétől és az impulzusismétlések számától függ. Így egy nagy impulzusszélességű tranziens impulzus esetén a túlfeszültségi áram megnő, és fűtési problémákat okozhat.
A fűtés azonban elkerülhető a tranziens impulzusból elnyelt energia elvezetésével.
Egy másik fontos varisztortípus van jelen a piacon, amelyet SMD vagy felületre szerelhető varisztorként ismerünk. Beszéljünk róluk a következő részben.
Surface Mount Device Varistor
Az összes többi varisztorhoz hasonlóan ezek is többnyire védőáramkörökben használatosak. A test lehet fém-oxid vagy szilícium-karbid. A fő különbség e varisztorok és a hagyományos varisztorok között az, hogy kis méretűek, és a felületszerelési technológiával épülnek. Ez azt jelenti, hogy ezek az eszközök könnyen csatlakoztathatók a NYÁK-hoz, mivel vezetékeik kisebb méretűek, vagy a lap felületén lévő párnákhoz forrasztott csapokkal rendelkeznek, így nincs szükség lyukakra a NYÁK-on.
A népszerű SMD varisztorok közé tartoznak: AUML sorozat – többrétegű tranziens feszültség túlfeszültség-elnyomó, MLA AUTO sorozat – Littelfuse MLA Automotive Multi-Layer Varistor (MLV) sorozat,
Az alábbi ábrán néhány SMD minta látható:
Image Credits
Conclusion:
A “varisztor” kifejezés a két kifejezés, a változó és az ellenállás összeolvadása. Bár a név azt sugallja, hogy ez az eszköz úgy működne, mint egy potenciométer vagy egy reosztát, a működése teljesen más. Itt az ellenállás a feszültség függvényében változik.
A varisztor fő alkalmazási területe az áramkörök védelme a feszültség tranziensekkel szemben.
A varisztorok félvezető teste ugyanezt segíti. A zenerdiódához hasonlóan a varisztor VI jelleggörbéje egy bizonyos küszöbfeszültség után az áram megugrását mutatja. Ezt a küszöbfeszültséget nevezik névleges feszültségnek vagy zárófeszültségnek. Ha a varisztoron alkalmazott feszültség jóval a zárófeszültség alatt vagy azzal egyenlő, a varisztor nagy ellenállással rendelkezik, és ezért szigetelő állapotban van. Ahogy azonban ez a feszültség a szorítófeszültségen túl nő, az ellenállás a félvezető testben bekövetkező lavinaszerű lebomlás következtében csökken. Ebben az esetben a varisztorról azt mondják, hogy vezető állapotban van.
A varisztorok két fő típusa kapható a piacon, nevezetesen a szilícium-karbid és a fém-oxid varisztorok. A szilícium-karbidot fokozatosan felváltotta a fém-oxid varisztor, mivel az előbbinek jelentősen nagy volt a szivárgási árama.
A varisztorok felületre szerelhető eszközként is kaphatók, ami segít abban, hogy könnyen gyárthatóak legyenek a NYÁK áramkörökben.