Varistor – シンボル、動作、種類、アプリケーション
抵抗という小さなパッケージは、非常に多くの回路や形態で使用されていて、ほとんどどこにでもある電気部品と言えるほどです。 抵抗値が変化しない基本的な固定抵抗器から、さまざまな要因で抵抗値が変化する可変抵抗器まで、さまざまな種類があります。 可変抵抗器には、ポテンショメーターやレオスタットのように、抵抗片の有効長が抵抗値を変化させる役割を果たすものと、温度、電圧、磁場などの物理的要因に敏感で、手動で抵抗値を変化させることができない可変抵抗器とがあるのです。
以前の記事で、抵抗値を手動で変更できる可変抵抗器 (ポテンショメーターやレオスタットなど) について説明しました。
この記事では、バリスタとして知られる、電圧に依存する抵抗器の世界について説明します。 この名前は、「変化する」と「抵抗器」という言葉を混ぜた造語です。 VDR という名前でも知られており、非オーミック特性を持ちます。
抵抗値が最小値から最大値まで変化するポテンショメータやレオスタットとは異なり、バリスタは印加電圧の変化に応じて抵抗値が自動的に変化します。
では、印加電圧の変化により、どのように抵抗値が変化するのでしょうか。 その答えは、その組成にあります。
では、印加電圧が変わると抵抗値はどのように変化するのでしょうか。 また、過大な電圧がかかると、抵抗値は大きく減少する。 このため、高感度な回路での過電圧保護に適している。
画像の使用
実際のバリスタは上の図に示すように表示されています。 コンデンサと混同されるかもしれません。
バリスタは電圧を抑制するために使用されますが、コンデンサはそのような機能を果たすことができません。
バリスタの記号
初期のころ、バリスタは電流の両方の方向でダイオードのように動作するため、図のように、互いに逆平行に置かれた 2 つのダイオードとして表現されました。 しかし、現在ではその記号は DIAC に使用されています。 現代の回路では、バリスタの記号は次のように示される。
バリスタは、回路の電圧過渡を抑制するのに役立つのか疑問に思われるかもしれませんね。 これを理解するために、まず、電圧過渡現象の原因が何であるかを理解しましょう。 電気回路およびソースにおける電圧過渡の起源は、AC または DC ソースから動作するかどうかに関係なく、その起源が回路自体からであるか、または任意の外部ソースから送信されるためです。
したがって、これらの電圧過渡現象を抑制する必要があります。
誘導コイルのスイッチング、トランスの磁化電流、およびその他の DC モーター スイッチング アプリケーションによって生じる L(di/dt) 効果は、電圧過渡現象の最も一般的な発生源となります。
下図は、AC トランジェントの波形を示しています。
回路でのバリスタの接続は、次のように行えます
- AC 回路では、次のように行えます。 位相からニュートラルまたは位相から位相
- 直流回路の場合。
さて、バリスタが提供する抵抗はどうでしょうか。
「バリスタ」という名前は、ポテンショメータやレオスタットのような抵抗を提供するデバイスを連想させますが、バリスタの実際の機能はそれらとはまったく異なります。
まず、抵抗の変化は、ポットやレオスタットのように手動で行うことができません。
第一に、ポットやレオスタットのように手動で抵抗値を変えることができません。第二に、通常の動作電圧では、バリスタが提供する抵抗は非常に高いです。
静的抵抗とバリスタにかかる電圧の関係は、下の図に示されています。
バリスタの働き
バリスタの働きに付いて説明するとすれば、それはバリスタが回路にどのように働くかです。 下図に示すVI特性を使って、理解を深めましょう。
バリスタの V-I 特性曲線は Zener diode のそれと類似しています。 これは、第1象限と第3象限の両方で動作することから、双方向性であることがわかります。 この特徴により、AC または DC のいずれかの電源で回路に接続するのに適しています。
図に示すクランピング電圧またはバリスタ電圧は、バリスタを流れる電流が非常に小さくなるまでの電圧と定義され、そのほとんどは数 mA のオーダーになります。 この電流は一般に漏れ電流と呼ばれます。
次に VI 特性を見ると、バリスタ全体の電圧がクランプ電圧より高くなると、電流が急激に増加することがわかります。
これは、閾値電圧（この場合はクランプ電圧）以上で電子が急速に流れ始め、それによってバリスタを通る抵抗値が減少し電流が増加するという、雪崩故障と呼ばれる現象によって抵抗値が急激に減少するために起こる現象です。
これは電圧過渡時に役立ちます。回路が高い過渡電圧を経験すると、バリスタ全体の電圧が定格 (クランプ) 電圧より大きな値まで上昇し、電流が増加して導体として機能します。
バリスタのもうひとつの特徴は、VI特性からわかるように、電流が増加したときでも、全体の電圧がクランプ電圧とほぼ同じままだという点です。
急峻な非直線曲線は、非常に狭い範囲の電圧で過度の電流がバリスタを通過し (自己調整特性を示す)、電圧のスパイクを切り取ることができることを意味します。
バリスタの静電容量
前のセクションで説明したように、バリスタの絶縁状態は、バリスタにかかる電圧がクランピング電圧と同じかそれより低いことを意味します。
非導通状態または絶縁状態のバリスタは、抵抗器よりもコンデンサのように動作します。
このことは、非導通状態のバリスタは、半導体本体の面積に比例し、その厚さに反比例する静電容量を持つことを意味します。
しかし、バリスタ全体の電圧が上昇すると、その絶縁特性を失い、導通しはじめます。
そこで、バリスタのコンデンサ動作に話を戻すと、1 つの主要な疑問が浮かびます。
この質問に対する答えは、これらの回路の周波数にあります。 直流回路では、周波数の役割はないことはご存知のとおりです。
しかし、AC 回路では、ケースは異なります。
しかし、交流回路では、ケースは異なります。ここでは、周波数が重要な役割を果たします。
これらのバリスタは通常、保護すべき電子機器に並列接続されているため、周波数の上昇に伴い漏れ抵抗が低下します。
交流回路では、容量性リアクタンスは式で与えられます
XC = 1/(2Pi.fC)Where f= frequency of the circuit, C=capacitance.
したがって、これらの回路では、周波数の増加とともに漏れ電流も増加します。
それでは、バリスタの重要な種類について簡単に説明しましょう。
バリスタの種類
バリスタの種類は、その本体の材料タイプに依存します。
- Silicon Carbide Varistor。 その名前自体から推測できるように、バリスタの本体は炭化ケイ素 (SiC) から作られています。 昔々、新しい MOV が市場に出る前に、広く使われていました。 現在では、高出力、高電圧のアプリケーションで集中的に使用されている。 しかし、大きな待機電流を消費し、これがこのタイプのバリスタの大きな欠点です。 このため、スタンバイ電力消費を制限するために直列ギャップが必要となります。 SiC バリスタにはいくつかの重大な欠点があったため、別のタイプのバリスタである金属酸化物バリスタが開発されました。
本体は金属酸化物、主に酸化亜鉛の粒で作られています。
これを 2 枚の金属板で挟み込み、90% が酸化亜鉛の粒、10% がコバルト、ビスマス、マンガンなどの他の金属酸化物であるセラミックの塊としてプレスします。 10％のコバルト・ビスマス・マンガンなどの金属酸化物は、酸化亜鉛の粒と結合する役割を果たし、2枚の金属板の間でそのままの状態を保つことができます。
下の図は、MOV の内部構造を示しています。
MOV の炭化ケイ素バリスタに対する大きな優位点はその低リーク電流にあります。
また、MOV は非常に高いレベルの非直線電流電圧特性を持っています。
このタイプの欠点は、サージ電流が過渡パルスの幅とパルス反復回数に依存することです。
ただし、この加熱は、過渡パルスから吸収されるエネルギーを放散することによって回避できます。
次のセクションでそれらについて説明します。
表面実装デバイス バリスタ
他のすべてのバリスタと同様、主に保護回路で使用されます。 本体は金属酸化物または炭化ケイ素のいずれかになります。 これらのバリスタと従来のバリスタの主な違いは、サイズが小さく、表面実装技術を使用して製造されていることです。 つまり、これらのデバイスは、リード線のサイズが小さいため、PCB に簡単に接続することができ、また、ピンが基板表面のパッドにはんだ付けされているため、PCB に穴を開ける必要がありません。
人気のある SMD バリスタの一部を以下に紹介します。 AUML シリーズ – 多層過渡電圧サージサプレッサ、MLA AUTO シリーズ – リテルヒューズ MLA 車載用多層バリスタ (MLV) シリーズ、
いくつかの SMD サンプルを下の図に示しています。
画像引用元
結論
“Varistor” は変化と抵抗という 2 つの用語が組み合わされたものです。 その名前から、このデバイスはポテンショメーターやレオスタットのように動作するように思われますが、その動作はまったく異なります。
バリスタの主な用途は、電圧過渡から回路を保護することです。
バリスタの半導体ボディは、同じことを支援します。 ツェナーダイオードと同様に、バリスタの VI 特性曲線は、特定の閾値電圧の後に電流の急増を示します。 このしきい値電圧は定格電圧またはクランピング電圧と呼ばれます。 バリスタにかかる電圧がクランピング電圧よりかなり低いか等しい場合、バリスタは高い抵抗を持ち、それゆえ絶縁状態であると言われています。 しかし、この電圧がクランプ電圧を超えて上昇すると、半導体本体でのアバランシェブレークダウンの結果、抵抗値が低下します。
市場で入手できるバリスタには、炭化ケイ素と金属酸化物バリスタという 2 つの主な種類があります。
バリスタは、PCB 回路で簡単に製造できるように、表面実装デバイスでも提供されています。