Varistore – Simbolo, Funzionamento, Tipi e Applicazioni

Varistore – Simbolo, Funzionamento, Tipi e Applicazioni

Il piccolo pacchetto della resistenza, il resistore è usato in così tanti circuiti, in così tante forme, che è quasi un componente elettrico onnipresente. Dalle resistenze fisse molto basilari, dove la resistenza rimane invariata, a diversi tipi di resistenze variabili, le cui resistenze cambiano in base a diversi fattori. Le resistenze variabili sono di diversi tipi; ci sono quelle in cui la lunghezza effettiva della striscia resistiva gioca un ruolo nel cambiare le resistenze come i potenziometri e i reostati e poi ci sono altre serie di resistenze variabili dove un cambiamento manuale della resistenza non è possibile, piuttosto sono sensibili a fattori fisici come la temperatura, la tensione, il campo magnetico ecc.

Abbiamo già discusso le resistenze variabili in cui la resistenza può essere cambiata manualmente (come i potenziometri e i reostati) nei nostri articoli precedenti.

Questo articolo vi guiderà attraverso il mondo delle resistenze che dipendono dalla tensione, conosciute come i Varistori.

Cos’è un Varistore?

Un Varistore è una resistenza variabile la cui resistenza dipende dalla tensione applicata. Il nome è stato coniato dalla fusione linguistica delle parole “variabile” e “resistenza”. Sono anche conosciuti con il nome di VDR e hanno caratteristiche non ohmiche. Pertanto, rientrano nel tipo non lineare di resistori.

A differenza dei potenziometri e dei reostati, dove la resistenza cambia da un valore minimo a un valore massimo, qui nel Varistor la resistenza cambia automaticamente con un cambiamento della tensione applicata. Questo varistore ha due elementi semiconduttori, e fornisce una protezione da sovratensione in un circuito, simile a un diodo Zener.

Come fa il cambiamento della tensione applicata a cambiare la sua resistenza? Bene, la risposta sta nella sua composizione. Dato che è fatto di materiale semiconduttore, la sua resistenza diminuisce all’aumentare della tensione che lo attraversa. Quando c’è un aumento eccessivo della tensione, la resistenza attraverso di essa diminuisce in modo multiplo. Questo comportamento li rende una buona scelta per la protezione dalle sovratensioni nei circuiti sensibili.

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Un varistore reale è mostrato nella figura precedente. Potreste confonderli con i condensatori. Tuttavia i varistori e i condensatori non hanno altro in comune che le loro dimensioni e il loro design.

Un varistore è usato per sopprimere la tensione, mentre un condensatore non può svolgere tali funzioni.

Simbolo del varistore

Nei suoi primi tempi, il varistore era rappresentato come due diodi posti in antiparallelo l’uno all’altro, come mostrato in figura, a causa del suo comportamento da diodo in entrambe le direzioni del flusso di corrente. Tuttavia, ora quel simbolo è usato per un DIAC. Nei circuiti moderni, il simbolo del varistore è mostrato qui sotto.

Vi potreste chiedere come es un Varistor aiuta a sopprimere i transitori di tensione in un circuito? Per capire questo, cerchiamo prima di capire qual è l’origine del transitorio di tensione. L’origine dei transitori di tensione nei circuiti elettrici e le fonti sono indipendentemente dal fatto che operano da una fonte AC o DC, poiché la loro origine è dal circuito stesso o sono trasmessi da qualsiasi fonte esterna. Questi transitori provocano un aumento di tensione fino a diverse migliaia di volt, che può rivelarsi catastrofico per il circuito.

Quindi questi transitori di tensione devono essere soppressi.

L’effetto L(di/dt) che è causato dalla commutazione di bobine induttive, dalle correnti di magnetizzazione dei trasformatori e da altre applicazioni di commutazione dei motori a corrente continua, è la fonte più comune di transitori di tensione.

La figura qui sotto mostra la forma d’onda di un transitorio AC.

Il collegamento di un varistore in un circuito può essere fatto come segue:

• nei circuiti CA: Da fase a neutro o da fase a fase
• Nei circuiti DC: Positivo al terminale negativo.

Ora che dire della resistenza offerta da un varistore? La prossima sezione si occupa di questo.

Resistenza statica e tensione di un varistore:

Il nome “varistore” suggerisce un dispositivo che fornisce resistenza come un potenziometro o un reostato, tuttavia la funzione effettiva di un varistore è completamente diversa da loro.

In primo luogo, il cambiamento di resistenza non può essere fatto manualmente come quello in un potenziometro o un reostato. In secondo luogo, sotto una tensione di funzionamento normale, la resistenza offerta da un varistore è molto alta. Quando questa tensione comincia ad aumentare bruscamente, soprattutto a causa dei transitori di tensione prodotti nel circuito o indotti da una fonte esterna, la resistenza comincia a diminuire rapidamente.

La relazione tra la resistenza statica e la tensione attraverso il varistore è mostrata nella figura sottostante.

Funzionamento di un Varistore

Per spiegare il funzionamento di un Varistore, usiamo la sua caratteristica VI mostrata nella figura qui sotto per capirla meglio.

La curva caratteristica V-I del varistore è simile a quella di un diodo Zener. È di natura bidirezionale, poiché vediamo che funziona sia nel primo che nel terzo quadrante. Questa caratteristica lo rende adatto a collegarlo in un circuito con sorgente AC o DC. Per una sorgente AC è adatto in quanto può funzionare in entrambe le direzioni o polarità di una sinusoide.

La tensione di serraggio o la tensione del Varistore mostrata nella figura è definita come la tensione fino alla quale la corrente attraverso il Varistore è molto bassa, per lo più dell’ordine di pochi milli-amperes. Questa corrente è comunemente chiamata corrente di dispersione. Questo valore di corrente di dispersione è dovuto all’alta resistenza del varistore, quando la tensione di serraggio è applicata attraverso il varistore.

Ora guardando la caratteristica VI, vediamo che come la tensione attraverso il varistore aumenta sopra la tensione di serraggio, c’è un brusco aumento della corrente.

Questo accade a causa della diminuzione improvvisa della resistenza derivante da un fenomeno chiamato ripartizione a valanga, dove sopra una tensione di soglia (in questo caso la tensione di serraggio) gli elettroni iniziano a scorrere rapidamente diminuendo così la resistenza e aumentando la corrente attraverso il varistore.

Questo aiuta durante i transitori di tensione, come quando il circuito sperimenta un’alta tensione transitoria, la tensione attraverso il varistore aumenta, ad un valore maggiore della sua tensione nominale (di bloccaggio), che a sua volta aumenta la corrente e agisce come conduttore.

Un’altra caratteristica del varistore che può essere vista dalle caratteristiche VI è che, anche quando c’è un aumento della corrente, la tensione attraverso di esso rimane quasi uguale alla tensione di bloccaggio. Questo significa che agisce come un autoregolatore anche in caso di un transitorio di tensione, rendendolo più adatto per lo stesso, in quanto mantiene l’aumento di tensione in controllo, durante tale evento.

La ripida curva non lineare indica che le correnti eccessive possono passare attraverso il varistore su una gamma molto stretta di tensione (indicando la sua proprietà di autoregolazione) e clip off qualsiasi picco di tensione.

Capacità in un varistore

Come discusso nelle sezioni precedenti, lo stato di isolamento del varistore significa che la tensione applicata attraverso di esso è uguale o inferiore alla tensione di bloccaggio.

Un varistore, nel suo stato di non-conduzione o lo stato di isolamento, agisce più come un condensatore che un resistore. Poiché il corpo semiconduttore del varistore si comporta come un isolante durante il suo stato di isolamento, può essere considerato come il materiale dielettrico, mentre i due terminali possono essere considerati come i due elettrodi.

Quindi questo significa che qualsiasi varistore nel suo stato non conduttore avrà una capacità, che è proporzionale all’area del corpo semiconduttore e inversamente proporzionale allo spessore dello stesso.

Tuttavia, quando il varistore sperimenta un aumento della tensione attraverso di esso, perde la sua proprietà isolante e inizia a condurre. In questo caso, non possiede più una capacità.

Quindi, tornando al comportamento capacitivo del varistore, una domanda principale viene in mente. Si comporta allo stesso modo per i circuiti AC e DC?

La risposta a questa domanda sta nella frequenza di questi circuiti. Come sappiamo, in un circuito DC, non c’è ruolo per la frequenza. Quindi, la capacità rimane fino a quando la tensione è uguale o inferiore alla tensione nominale.

Nei circuiti AC, però, il caso è diverso. Qui la frequenza gioca un ruolo importante. Così, nella sua regione non conduttiva, la capacità del varistore influisce sulla sua resistenza.

Siccome questi varistori sono normalmente collegati in parallelo al dispositivo elettronico da proteggere, la resistenza di perdita scende con l’aumento della frequenza. La resitenza parallela risultante e la frequenza hanno una relazione lineare.

Per i circuiti AC, la reattanza capacitiva è data dalla formula

XC = 1/(2Pi.fC)Where f= frequency of the circuit, C=capacitance.

Quindi, in questi circuiti la corrente di dispersione aumenta all’aumentare della frequenza.

Ora discutiamo i tipi importanti di Varistori in breve.

Tipi di Varistori

Il tipo di Varistori dipende dal tipo di materiale del suo corpo. I due tipi più comuni di varistori sono stati discussi di seguito.

1. Varistore in carburo di silicio: Come si può intuire dal nome stesso, il corpo del varistore è fatto di carburo di silicio (SiC). Era molto usato una volta, prima che il nuovo MOV arrivasse sul mercato. Ora sono usati intensamente in applicazioni ad alta potenza e alta tensione. Tuttavia, disegnano una significativa corrente di standby e questo è lo svantaggio principale di questo tipo di varistore. A causa di ciò, è necessario un gap in serie per limitare il consumo di potenza in stand-by.
2. Varistori ad ossido di metallo (MOV): Dal momento che i varistori SiC avevano alcuni seri inconvenienti, è stato sviluppato un altro tipo di varistori, i varistori in ossido di metallo. Fornisce un’ottima protezione dai transienti di tensione ed è ora abbastanza popolare.

Qui il corpo è fatto di un ossido di metallo, per lo più grani di ossido di zinco. Questi sono pressati come una massa ceramica, con il 90% di grani di ossido di zinco e il 10% di altri ossidi di metallo come cobalto, bismuto e manganese.

Questo è poi inserito tra le due piastre metalliche. Il 10% di ossidi metallici di cobalto, bismuto e manganese agisce come un agente legante per i grani di ossido di zinco in modo che sia mantenuto intatto tra le due piastre metalliche. I terminali di collegamento o i cavi sono collegati alle due piastre metalliche.

La figura seguente mostra la struttura interna del MOV.

Il vantaggio principale del MOV rispetto al Varistore in Carburo di Silicio è la sua bassa corrente di dispersione. MOV ha una corrente di dispersione molto bassa in condizioni operative normali.

Anche MOV ha un livello molto alto di caratteristiche di tensione di corrente non lineare.

Uno svantaggio di questo tipo è che, la corrente di picco dipende dalla larghezza dell’impulso transitorio e dal numero di ripetizioni dell’impulso. Così per un impulso transitorio con un’alta larghezza di impulso, la corrente di picco aumenterà e può causare problemi di riscaldamento.

Tuttavia questo riscaldamento può essere evitato dissipando l’energia che viene assorbita dall’impulso transitorio.

Un altro importante tipo di varistore è presente sul mercato, conosciuto come SMD o surface mount device Varistor. Discutiamo di loro nella prossima sezione.

Surface Mount Device Varistor

Sono come tutti gli altri varistori, principalmente utilizzati nei circuiti di protezione. Il corpo può essere sia in ossido di metallo che in carburo di silicio. La differenza principale tra questi varistori e i varistori tradizionali è che sono di piccole dimensioni e sono costruiti utilizzando la tecnologia di montaggio superficiale. Ciò significa che questi dispositivi possono essere facilmente collegati in un PCB, dal momento che i loro cavi sono di dimensioni più piccole o hanno perni saldati a pad sulla superficie della scheda, eliminando la necessità di fori nel PCB.

Alcuni dei popolari varistori SMD includono: AUML Series – Multilayer Transient Voltage Surge Suppressor, MLA AUTO Series – Littelfuse MLA Automotive Multi-Layer Varistor (MLV) Series,

Alcuni esempi di SMD sono mostrati nella figura sottostante:

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Conclusione:

Il termine “Varistori” è un amalgama dei due termini variare e resistori. Anche se il nome suggerisce che questo dispositivo funzioni come un potenziometro o un reostato, il suo funzionamento è completamente diverso. Qui la resistenza cambia rispetto alla tensione.

L’applicazione principale del varistore è nella protezione dei circuiti contro i transitori di tensione.

Il corpo semiconduttore dei varistori aiuta nello stesso. Come un diodo zener, la curva caratteristica VI di Varistor mostra un picco di corrente dopo una particolare tensione di soglia. Questa tensione di soglia è chiamata la tensione nominale o la tensione di serraggio. Quando la tensione applicata attraverso il varistore è ben al di sotto o uguale alla tensione di serraggio, il varistore ha un’alta resistenza e quindi si dice che è nel suo stato di isolamento. Tuttavia, quando questa tensione aumenta oltre la tensione di serraggio, la resistenza diminuisce a causa della rottura a valanga nel corpo del semiconduttore. In questo caso il varistore è detto essere nel suo stato conduttore.

Ci sono due tipi principali di varistori disponibili sul mercato e cioè il carburo di silicio e varistori ossido di metallo. Il carburo di silicio è stato gradualmente sostituito dai varistori all’ossido di metallo in quanto il primo aveva una quantità considerevolmente alta di corrente di dispersione.

I varistori sono anche disponibili in dispositivi a montaggio superficiale che li aiuta ad essere facilmente fabbricati in circuiti PCB.