Varistor – Symbool, Werking, Soorten en Toepassingen
Het kleine pakketje van weerstand, de weerstand wordt in zoveel schakelingen, in zoveel vormen gebruikt, dat het bijna een alomtegenwoordig elektrisch component is. Van de zeer eenvoudige vaste weerstanden, waarbij de weerstand onveranderd blijft, tot verschillende soorten variabele weerstanden, waarvan de weerstanden volgens verschillende factoren veranderen. De veranderlijke weerstanden zijn van verschillende types; er zijn degenen waarin de efficiënte lengte van de weerstandsstrook rol in het veranderen van de weerstanden zoals de potentiometers en de reostaten speelt en dan zijn er andere reeks van veranderlijke weerstanden waar een handverandering in weerstand niet mogelijk is, eerder zijn zij gevoelig voor fysische factoren zoals temperatuur, voltage, magnetisch veld enz.
We hebben de variabele weerstanden waarbij de weerstand handmatig kan worden gewijzigd (zoals potentiometers en reostaten) al besproken in onze vorige artikelen.
Dit artikel leidt u door de wereld van een weerstand die afhankelijk is van spanning, bekend als de Varistoren.
Wat is een Varistor?
Een Varistor is een variërende weerstand waarvan de weerstand afhankelijk is van de toegepaste spanning. De naam is ontstaan door een taalkundige vermenging van de woorden “variërend” en “weerstand”. Ze zijn ook bekend onder de naam VDR en hebben niet-ohmische kenmerken. Daarom vallen ze onder de niet lineaire weerstanden.
In tegenstelling tot de potentiometers en reostaten, waarbij de weerstand van een minimale waarde naar een maximale waarde verandert, verandert hier in de varistor de weerstand automatisch bij een verandering van de toegepaste spanning. Deze varistor heeft twee halfgeleiderelementen, en biedt bescherming tegen overspanning in een circuit, vergelijkbaar met een Zener diode.
Dus hoe verandert de weerstand door de verandering in toegepaste spanning? Wel, het antwoord ligt in zijn samenstelling. Aangezien de diode is gemaakt van halfgeleidermateriaal, daalt zijn weerstand naarmate de spanning erover toeneemt. Wanneer de spanning buitensporig toeneemt, daalt de weerstand over de geleider in veelvoud. Dit gedrag maakt ze een goede keuze voor overspanningsbeveiliging in gevoelige circuits.
Image Credit
Een echte Varistor is te zien in bovenstaande figuur. U kunt ze verwarren met condensatoren. Varistors en condensatoren hebben echter niets meer gemeen dan hun grootte en ontwerp.
Een Varistor wordt gebruikt om spanning te onderdrukken, terwijl een condensator dergelijke functies niet kan uitvoeren.
Varistorsymbool
In zijn begindagen werd de Varistor voorgesteld als twee diodes die antiparallel ten opzichte van elkaar waren geplaatst, zoals in de figuur, wegens zijn diode-achtig gedrag in beide richtingen van de stroomdoorgang. Nu wordt dat symbool echter gebruikt voor een DIAC. In moderne schakelingen wordt het symbool voor Varistor hieronder weergegeven.
Je vraagt je misschien af hoe een Varistor helpt bij het onderdrukken van spanningstransiënten in een schakeling? Om dit te begrijpen, laat ons eerst begrijpen wat de bron van spanningstransienten is. De oorsprong van spanningstransiënten in elektrische circuits en bronnen zijn ongeacht of ze werken vanuit een AC of DC bron, aangezien hun oorsprong ligt in het circuit zelf of ze worden doorgegeven vanuit een externe bron. Deze transiënten resulteren in een spanningsverhoging tot enkele duizenden volts, die catastrofaal kan blijken voor de schakeling.
Daarom moeten deze spanningstransiënten worden onderdrukt.
Het L(di/dt) effect dat wordt veroorzaakt door het schakelen van inductieve spoelen, magnetiserende stromen van transformatoren en andere schakeltoepassingen van gelijkstroommotoren, is de meest voorkomende bron van spanningstransiënten.
De onderstaande figuur toont de golfvorm van een AC-transient.
De aansluiting os een Varistor in een stroomkring kan als volgt geschieden:
- In AC-schakelingen: Fase naar neutraal of Fase naar Fase
- In DC-circuits: Positief naar negatief terminal.
Nu hoe zit het met de weerstand die een Varistor biedt? De volgende paragraaf behandelt dat.
STATISCHE WETSTAND EN SPANNING VAN EEN VARISTOR:
De naam “Varistor” suggereert een apparaat dat weerstand biedt zoals een potentiometer of een rheostat, maar de werkelijke functie van een Varistor is totaal verschillend van hen.
In de eerste plaats kan de verandering in weerstand niet handmatig worden gedaan zoals bij een pot of een rheostat. Ten tweede, onder normale bedrijfsspanning is de weerstand die een varistor biedt zeer hoog. Wanneer deze spanning abrupt begint te stijgen, meestal als gevolg van spanningspieken die in het circuit worden geproduceerd of door een externe bron worden geïnduceerd, begint de weerstand snel te dalen.
Het verband tussen de statische weerstand en de spanning over de varistor is weergegeven in de onderstaande figuur.
Werking van een Varistor
Om de werking van een Varistor te kunnen verklaren, gebruiken we de VI-karakteristiek in de onderstaande figuur om hem beter te begrijpen.
De V-I-karakteristiek van een varistor is vergelijkbaar met die van een Zenerdiode. Hij is bidirectioneel van aard, aangezien we zien dat hij zowel in het eerste als in het derde kwadrant werkt. Deze eigenschap maakt het geschikt om hem aan te sluiten in een circuit met zowel AC als DC bron. Voor een AC bron is hij geschikt omdat hij in beide richtingen of polariteiten van een sinus kan functioneren.
De klemspanning of de in de figuur getoonde Varistorspanning wordt gedefinieerd als de spanning tot waar de stroom door de Varistor zeer laag is, meestal in de orde van enkele milli-ampères. Deze stroom wordt gewoonlijk de lekstroom genoemd. Deze waarde van de lekstroom is te wijten aan de hoge weerstand van de Varistor, wanneer de klepspanning over de Varistor wordt aangelegd.
Nu we de VI karakteristiek bekijken, zien we dat wanneer de spanning over de Varistor boven de klepspanning stijgt, er een abrupte toename van de stroom is.
Dit gebeurt door de plotselinge afname van de weerstand als gevolg van een fenomeen dat de lawine-uitval wordt genoemd, waarbij boven een drempelspanning (in dit geval de klepspanning) de elektronen snel beginnen te stromen waardoor de weerstand afneemt en de stroom door de Varistor toeneemt.
Dit helpt tijdens spanningstransiënten, want wanneer het circuit een hoge transiënte spanning ondergaat, neemt de spanning over de varistor toe tot een waarde die groter is dan de nominale (klem)spanning, die op zijn beurt de stroom verhoogt en als geleider fungeert.
Een andere eigenschap van de varistor die kan worden afgelezen uit de VI-karakteristieken is dat, zelfs wanneer de stroom toeneemt, de spanning over de varistor bijna gelijk blijft aan de klemspanning. Dit betekent dat het werkt als een zelf-regulator, zelfs in het geval van een spanning transient, waardoor het meer geschikt voor hetzelfde, omdat het houdt de spanningstoename in toom, tijdens een dergelijke gebeurtenis.
De steile niet lineaire curve geeft aan dat overmatige stromen kunnen passeren door de Varistor over zeer smalle bereik van spanning (wat aangeeft dat de zelfregulerende eigenschap) en clip off elke piek in spanning.
Capaciteit in een Varistor
Zoals in de vorige hoofdstukken besproken, betekent de isolerende toestand van de Varistor, dat de spanning die er over wordt aangelegd gelijk is aan of lager is dan de klemspanning.
Een Varistor, in zijn niet-geleidende toestand of de isolerende toestand, werkt meer als een condensator dan als een weerstand. Aangezien het halfgeleiderlichaam van de Varistor in zijn isolerende toestand als een isolator werkt, kan het als het diëlektrische materiaal worden beschouwd, terwijl de twee aansluitingen als de twee elektroden kunnen worden beschouwd.
Dit betekent dus dat elke Varistor in zijn niet-geleidende toestand een capaciteit zal hebben, die evenredig is met de oppervlakte van het halfgeleiderlichaam en omgekeerd evenredig met de dikte van hetzelfde.
Als de Varistor echter een spanningsstijging over zich heen krijgt, verliest hij zijn isolerende eigenschap en begint hij te geleiden. In dit geval bezit hij niet langer een capaciteit.
Dus terugkomend op het condensatorgedrag van de varistor, komt één belangrijke vraag in je op. Gedraagt hij zich op dezelfde manier voor AC- en DC-circuits?
Het antwoord op deze vraag ligt in de frequentie van deze circuits. We weten dat in een gelijkstroomcircuit de frequentie geen rol speelt. Daarom blijft de capaciteit gelijk tot de spanning gelijk of lager is dan de nominale spanning.
In wisselstroomkringen ligt de zaak echter anders. Hier speelt de frequentie een belangrijke rol. In het niet-geleidende gebied beïnvloedt de capaciteit van de varistor de weerstand.
Omdat deze varistoren gewoonlijk parallel aan het te beschermen elektronische apparaat worden aangesloten, daalt de lekweerstand bij een toenemende frequentie. De resulterende parallelle weerstand en de frequentie hebben een lineair verband.
Voor AC-circuits wordt de capacitieve reactantie gegeven door de formule
XC = 1/(2Pi.fC)Where f= frequency of the circuit, C=capacitance.
Dus, in deze circuits neemt de lekstroom toe met een toename van de frequentie.
Nu bespreken we de belangrijke typen Varistoren in het kort.
Typen Varistoren
Het type Varistoren is afhankelijk van het materiaalsoort van zijn lichaam. De twee meest voorkomende types van Varistors zijn hieronder besproken.
- Siliciumcarbide Varistor: Zoals uit de naam zelf kan worden geraden, is het lichaam van de Varistor gemaakt van Siliciumcarbide (SiC). Vroeger, voordat de nieuwe MOV op de markt kwam, werd dit op grote schaal gebruikt. Nu worden ze intensief gebruikt in hoogvermogen- en hoogspanningstoepassingen. Ze trekken echter een aanzienlijke stand-by stroom en dit is het grootste nadeel van dit type varistor. Daarom is een seriespleet nodig om het stand-by stroomverbruik te beperken.
- Metaaloxide varistoren (MOV): Aangezien SiC Varistors enkele ernstige nadelen had, werd een ander type Varistors de metaaloxide Varistors ontwikkeld. Het biedt een zeer goede spanning voorbijgaande bescherming en is nu vrij populair.
Hier het lichaam is gemaakt van een metaaloxide, meestal Zinkoxide korrels. Deze worden geperst als een keramische massa, met 90% zinkoxidekorrels en 10% van andere metaaloxiden zoals kobalt, bismut en mangaan.
Dit wordt dan ingeklemd tussen de twee metalen platen. De 10% metaaloxiden van kobalt, bismut en mangaan werken als een bindmiddel aan zinkoxidekorrels zodat het intact wordt gehouden tussen de twee metaalplaten. De aansluitklemmen of de kabels zijn verbonden met de twee metaalplaten.
De onderstaande figuur toont de inwendige structuur van MOV.
Het grote voordeel van MOV ten opzichte van Siliciumcarbide Varistor is de lage lekstroom. MOV heeft een zeer lage lekstroom bij normale bedrijfsomstandigheden.
Ook heeft MOV een zeer hoog niveau van niet lineaire stroomspanningskarakteristieken.
Eén nadeel van dit type is dat, de piekstroom afhankelijk is van de breedte van de voorbijgaande puls en het aantal pulsherhalingen. Dus voor een voorbijgaande puls met een hoge pulsbreedte, zal de piekstroom stijgen en kan leiden tot verwarming problemen.
Hoewel deze verwarming kan worden vermeden door het afvoeren van de energie die wordt geabsorbeerd uit de voorbijgaande puls.
Een ander belangrijk type Varistor is aanwezig in de markt, bekend als SMD of surface mount device Varistor. Laten we ze bespreken in de volgende sectie.
Surface Mount Device Varistor
Zij worden net als alle andere Varistors, meestal gebruikt in beveiligingscircuits. Het lichaam kan zowel metaaloxide of siliciumcarbide zijn. Het belangrijkste verschil tussen deze Varistors en de traditionele Varistors is dat het klein in omvang en is gebouwd met behulp van de surface mount-technologie. Dit betekent dat deze apparaten kunnen gemakkelijk worden aangesloten in een PCB, omdat hun leads kleiner in omvang zijn of ze hebben pennen gesoldeerd aan pads op het oppervlak van de raad van bestuur, waardoor de noodzaak van gaten in de PCB.
Enkele van de populaire SMD Varistoren zijn onder andere: AUML Series – Multilayer Transient Voltage Surge Suppressor, MLA AUTO Series – Littelfuse MLA Automotive Multi-Layer Varistor (MLV) Series,
Sommige voorbeeld SMD’s worden getoond in onderstaande figuur:
Image Credits
Conclusie:
De term “Varistoren” is een samenvoeging van de twee termen varistoren en weerstanden. Hoewel de naam suggereert dat dit apparaat zou werken als een potentiometer of een rheostat, is de werking totaal verschillend. Hier verandert de weerstand ten opzichte van de spanning.
De belangrijkste toepassing van de Varistor is in het beschermen van de circuits tegen spanning transient.
Het halfgeleiderlichaam van de Varistors helpt bij hetzelfde. Zoals een zenerdiode, toont de VI-karakteristiek van de Varistor een stroomstoot na een bepaalde drempelspanning. Deze drempelspanning wordt de nominale spanning of de klemspanning genoemd. Wanneer de spanning die over de varistor wordt aangelegd ver onder of gelijk is aan de klemspanning, heeft de varistor een hoge weerstand en is hij dus in isolerende toestand. Wanneer de spanning echter hoger wordt dan de klemspanning, daalt de weerstand als gevolg van de lawine-afbraak in het halfgeleiderlichaam. In dit geval de Varistor wordt gezegd dat in zijn geleidende staat.
Er zijn twee hoofdtypen van Varistors beschikbaar in de markt namelijk de siliciumcarbide en metaaloxyde Varistors. Het Siliciumcarbide werd geleidelijk vervangen door metaaloxyde Varistors als de eerste had een aanzienlijk hoog bedrag van lekstroom.
Varistors zijn ook beschikbaar in Surface mount apparaat dat helpt hen om gemakkelijk te worden vervaardigd in PCB circuits.