Warystor – Symbol, Działanie, Rodzaje i Zastosowania
Mały pakiet rezystancji, rezystor jest używany w tak wielu obwodach, w tak wielu formach, że jest niemal wszechobecnym elementem elektrycznym. Od bardzo podstawowych rezystorów stałych, gdzie rezystancja pozostaje niezmienna, do różnych typów rezystorów zmiennych, których rezystancje zmieniają się w zależności od różnych czynników. Rezystory zmienne są różnych typów; istnieją takie, w których efektywna długość paska rezystancyjnego odgrywa rolę w zmianie rezystorów, jak potencjometry i reostaty, a następnie istnieje inny zestaw zmiennych rezystorów, gdzie ręczna zmiana rezystancji nie jest możliwa, a raczej są one wrażliwe na czynniki fizyczne, takie jak temperatura, napięcie, pole magnetyczne itp.
W naszych poprzednich artykułach omówiliśmy już zmienne rezystory, w których rezystancja może być zmieniana ręcznie (jak potencjometr i reostaty).
Ten artykuł poprowadzi Cię przez świat rezystorów zależnych od napięcia, znanych jako warystory.
Co to jest warystor?
Warystor jest zmieniającym się rezystorem, którego rezystancja zależy od przyłożonego napięcia. Nazwa powstała z językowego połączenia słów: „varying” i „resistor”. Są one również znane pod nazwą VDR i mają charakterystykę nieohmową. Dlatego też, wchodzą one w zakres nieliniowego typu rezystorów.
W przeciwieństwie do potencjometrów i reostatów, gdzie rezystancja zmienia się od wartości minimalnej do wartości maksymalnej, tutaj w warystorze rezystancja zmienia się automatycznie wraz ze zmianą przyłożonego napięcia. Warystor posiada dwa elementy półprzewodnikowe i zapewnia ochronę przed przepięciami w obwodzie, podobnie jak dioda Zenera.
Jak więc zmiana przyłożonego napięcia zmienia jego rezystancję? Cóż, odpowiedź leży w jego składzie. Ponieważ jest ona wykonana z materiału półprzewodnikowego, jej rezystancja spada wraz ze wzrostem napięcia. Przy nadmiernym wzroście napięcia rezystancja maleje wielokrotnie. Takie zachowanie sprawia, że są one dobrym wyborem do ochrony przed przepięciami w czułych obwodach.
Image Credit
Prawdziwe warystory są pokazane na powyższym rysunku. Można je pomylić z kondensatorami. Jednak warystory i kondensatory nie mają ze sobą nic więcej wspólnego poza rozmiarem i konstrukcją.
Warystor jest używany do tłumienia napięcia, podczas gdy kondensator nie może pełnić takich funkcji.
Symbol warystora
Wcześniej warystor był przedstawiany jako dwie diody umieszczone antyrównolegle do siebie, jak pokazano na rysunku, ze względu na jego zachowanie podobne do diody w obu kierunkach przepływu prądu. Jednakże, obecnie ten symbol jest używany dla DIAC. W nowoczesnych obwodach, symbol warystora jest pokazany poniżej.
Można się zastanawiać, w jaki sposób warystor pomaga w tłumieniu stanów przejściowych napięcia w obwodzie? Aby to zrozumieć, zrozummy najpierw, co jest źródłem przejściowego napięcia. Źródłem przejściowych stanów napięciowych w obwodach elektrycznych i źródłach są niezależnie od tego, czy działają one ze źródła AC czy DC, ponieważ ich pochodzenie jest z samego obwodu lub są one przekazywane z dowolnych źródeł zewnętrznych. Te stany przejściowe powodują wzrost napięcia do kilku tysięcy woltów, co może okazać się katastrofalne w skutkach dla obwodu.
Więc te stany przejściowe napięcia muszą być tłumione.
Efekt L(di/dt), który jest spowodowany przełączaniem cewek indukcyjnych, prądami magnesującymi transformatorów i innymi aplikacjami przełączania silników prądu stałego, jest najczęstszym źródłem stanów przejściowych napięcia.
Niniejszy rysunek przedstawia przebieg przejściowego napięcia przemiennego.
Podłączenie warystora w obwodzie może być wykonane w następujący sposób:
- W obwodach AC: Faza do neutralnego lub Faza do fazy
- W obwodach prądu stałego: Dodatni do ujemnego zacisku.
A co z rezystancją oferowaną przez warystor? Następny rozdział zajmuje się tym.
STATYCZNA REZYSTANCJA I NAPIĘCIE WARYSTORA:
Nazwa „warystor” sugeruje urządzenie, które zapewnia rezystancję jak potencjometr lub reostat, jednak rzeczywista funkcja warystora jest zupełnie inna od nich.
Po pierwsze, zmiana rezystancji nie może być wykonywana ręcznie, tak jak w garnku lub reostacie. Po drugie, przy normalnym napięciu roboczym, rezystancja oferowana przez warystor jest bardzo wysoka. Gdy to napięcie zaczyna gwałtownie wzrastać, głównie z powodu stanów przejściowych napięcia wytwarzanych w obwodzie lub indukowanych z zewnętrznego źródła, rezystancja zaczyna gwałtownie maleć.
Zależność między rezystancją statyczną a napięciem na warystorze jest pokazana na poniższym rysunku.
Praca warystora
Aby wyjaśnić działanie warystora, wykorzystajmy jego charakterystykę VI pokazaną na rysunku poniżej, aby lepiej go zrozumieć.
Charakterystyka V-I warystora jest podobna do charakterystyki diody Zenera. Ma ona charakter dwukierunkowy, gdyż widzimy, że pracuje zarówno w pierwszej jak i trzeciej ćwiartce. Ta cecha sprawia, że nadaje się do podłączenia go w obwodzie ze źródłem AC lub DC. Dla źródła prądu zmiennego jest on odpowiedni, ponieważ może działać w obu kierunkach lub polaryzacjach sinusoidy.
Napięcie zaciskające lub napięcie warystora pokazane na rysunku jest definiowane jako napięcie, do którego prąd przez warystor jest bardzo mały, najczęściej rzędu kilku miliamperów. Prąd ten potocznie nazywany jest prądem upływu. Taka wartość prądu upływu wynika z wysokiej rezystancji warystora, gdy napięcie zaciskające jest przyłożone do warystora.
Patrząc teraz na charakterystykę VI, widzimy, że gdy napięcie na warystorze wzrasta powyżej napięcia zaciskającego, następuje gwałtowny wzrost prądu.
Dzieje się tak z powodu nagłego spadku rezystancji wynikającego ze zjawiska zwanego przebiciem lawinowym, gdzie powyżej napięcia progowego (w tym przypadku napięcia zaciskającego) elektrony zaczynają gwałtownie płynąć zmniejszając rezystancję i zwiększając prąd przez warystor.
To pomaga podczas stanów przejściowych napięcia, ponieważ kiedy obwód doświadcza wysokiego napięcia przejściowego, napięcie na warystorze wzrasta, do wartości większej niż jego napięcie znamionowe (zaciskowe), co z kolei zwiększa prąd i działa jak przewodnik.
Inną cechą warystora, którą można zobaczyć na charakterystyce VI jest to, że nawet kiedy jest wzrost prądu, napięcie na nim pozostaje prawie równe napięciu zaciskowemu. Oznacza to, że działa on jak samoregulator nawet w przypadku przejściowego napięcia, co czyni go bardziej odpowiednim do tego samego celu, ponieważ utrzymuje wzrost napięcia w ryzach podczas takiego zdarzenia.
Stroma, nieliniowa krzywa wskazuje, że nadmierne prądy mogą przechodzić przez warystor w bardzo wąskim zakresie napięcia (wskazując na jego właściwości samoregulacyjne) i odcina każdy skok napięcia.
Kapacytancja w warystorze
Jak omówiono w poprzednich rozdziałach, stan izolacyjny warystora oznacza, że napięcie przyłożone do niego jest równe lub mniejsze od napięcia zacisku.
Warystor, w stanie nieprzewodzenia lub stanie izolacyjnym, zachowuje się bardziej jak kondensator niż jak rezystor. Ponieważ ciało półprzewodnikowe warystora zachowuje się jak izolator w stanie izolacyjnym, można je uznać za materiał dielektryczny, podczas gdy dwa zaciski można uznać za dwie elektrody.
Oznacza to, że każdy warystor w stanie nieprzewodzenia będzie miał pojemność, która jest proporcjonalna do powierzchni ciała półprzewodnikowego i odwrotnie proporcjonalna do jego grubości.
Jednakże, gdy warystor doświadcza wzrostu napięcia, traci swoje właściwości izolacyjne i zaczyna przewodzić. W tym przypadku, nie posiada on już pojemności.
Wracając więc do zachowania kondensatora, nasuwa się jedno główne pytanie. Czy zachowuje się on tak samo w obwodach AC i DC?
Odpowiedź na to pytanie leży w częstotliwości tych obwodów. Jak wiemy, w obwodzie prądu stałego, nie ma roli dla częstotliwości. Stąd, pojemność pozostaje dopóki napięcie jest równe lub mniejsze od napięcia znamionowego.
W obwodach prądu zmiennego sprawa wygląda inaczej. Tutaj częstotliwość odgrywa ważną rolę. W związku z tym, w obszarze nieprzewodzącym, pojemność warystora wpływa na jego rezystancję.
Ponieważ warystory te są zwykle podłączone równolegle do urządzenia elektronicznego, które ma być chronione, rezystancja upływu spada wraz ze wzrostem częstotliwości. Wynikająca z tego równoległa rezystancja i częstotliwość mają liniową zależność.
Dla obwodów AC, reaktancja pojemnościowa jest dana wzorem
XC = 1/(2Pi.fC)Where f= frequency of the circuit, C=capacitance.
W związku z tym, w tych obwodach prąd upływu wzrasta wraz ze wzrostem częstotliwości.
Teraz omówmy w skrócie ważne typy warystorów.
Typy warystorów
Rodzaj warystora zależy od rodzaju materiału, z którego wykonany jest jego korpus. Dwa najczęściej spotykane typy warystorów zostały omówione poniżej.
- Warystor z węglika krzemu: Jak można się domyślić z samej nazwy, ciało warystora jest wykonane z węglika krzemu (SiC). Był on szeroko stosowany kiedyś, zanim nowy MOV pojawił się na rynku. Obecnie są one intensywnie wykorzystywane w aplikacjach o dużej mocy i wysokim napięciu. Jednakże, pobierają one znaczny prąd w stanie gotowości i to jest główna wada tego typu warystorów. Z tego powodu wymagana jest przerwa szeregowa, aby ograniczyć pobór mocy w trybie stand-by.
- Warystory z tlenku metalu (MOV): Ponieważ warystory SiC miały pewne poważne wady, opracowano inny typ warystorów – warystory z tlenków metali. Zapewnia on bardzo dobrą ochronę przed przejściowymi napięciami i jest obecnie dość popularny.
Tutaj korpus jest wykonany z tlenku metalu, głównie z ziaren tlenku cynku. Są one prasowane jako masa ceramiczna, z 90% ziaren tlenku cynku i 10% innych tlenków metali, takich jak kobalt, bizmut i mangan.
Ten materiał jest następnie umieszczony pomiędzy dwoma metalowymi płytami. Te 10% tlenków metali kobaltu, bizmutu i manganu działa jako środek wiążący do ziaren tlenku cynku, tak że jest on utrzymywany w stanie nienaruszonym pomiędzy dwoma płytkami metalowymi. Końcówki łączące lub przewody są podłączone do dwóch metalowych płytek.
Niżej przedstawiona ilustracja pokazuje wewnętrzną strukturę MOV.
Główną zaletą MOV w stosunku do warystora z węglika krzemu jest jego niski prąd upływu. MOV ma bardzo mały prąd upływu w normalnych warunkach pracy.
Również MOV ma bardzo wysoki poziom nieliniowej charakterystyki prądowo-napięciowej.
Jedną wadą tego typu jest to, że prąd udarowy zależy od szerokości impulsu przejściowego i liczby powtórzeń impulsu. Tak więc dla impulsu przejściowego o dużej szerokości impulsu, prąd udarowy wzrośnie i może spowodować problemy z ogrzewaniem.
Jednakże tego ogrzewania można uniknąć rozpraszając energię, która jest pochłaniana z impulsu przejściowego.
Inny ważny typ warystora jest obecny na rynku, znany jako SMD lub warystor do montażu powierzchniowego. Omówmy je w następnej sekcji.
Warystor do montażu powierzchniowego
Są one jak wszystkie inne warystory, używane głównie w obwodach ochronnych. Korpus może być wykonany z tlenku metalu lub węglika krzemu. Główna różnica pomiędzy tymi warystorami a tradycyjnymi warystorami polega na tym, że mają one małe rozmiary i są zbudowane w technologii montażu powierzchniowego. Oznacza to, że urządzenia te można łatwo podłączyć do płytki PCB, ponieważ ich wyprowadzenia są mniejszych rozmiarów lub mają piny przylutowane do padów na powierzchni płytki, co eliminuje konieczność wykonywania otworów w płytce PCB.
Niektóre z popularnych warystorów SMD to: AUML Series – Multilayer Transient Voltage Surge Suppressor, MLA AUTO Series – Littelfuse MLA Automotive Multi-Layer Varistor (MLV) Series,
Niektóre przykładowe warystory SMD przedstawiono na rysunku poniżej:
Image Credits
Wniosek:
Termin „Warystory” jest amalgamacją dwóch terminów warystor i rezystor. Chociaż nazwa sugeruje, że to urządzenie będzie działać jak potencjometr lub reostat, jego działanie jest zupełnie inne. Tutaj rezystancja zmienia się w zależności od napięcia.
Głównym zastosowaniem warystora jest ochrona obwodów przed przejściowym napięciem.
Ciało półprzewodnikowe warystorów pomaga w tym samym. Podobnie jak w przypadku diody zenera, charakterystyka VI warystora pokazuje skok prądu po przekroczeniu określonego napięcia progowego. To napięcie progowe nazywane jest napięciem znamionowym lub napięciem zacisku. Kiedy napięcie przyłożone do warystora jest znacznie niższe lub równe napięciu zacisku, warystor ma wysoką rezystancję i dlatego mówi się, że jest w stanie izolacyjnym. Jednakże, gdy napięcie to wzrasta powyżej napięcia zaciskania, rezystancja spada w wyniku lawinowego rozpadu ciała półprzewodnikowego. W tym przypadku mówi się, że warystor jest w stanie przewodzenia.
Istnieją dwa główne typy warystorów dostępnych na rynku, mianowicie warystory z węglika krzemu i warystory z tlenku metalu. Warystory z węglika krzemu były stopniowo zastępowane przez warystory z tlenku metalu, ponieważ te pierwsze charakteryzowały się znacznie wyższą wartością prądu upływu.
Warystory są również dostępne w wersji do montażu powierzchniowego, co pozwala na ich łatwą produkcję w obwodach PCB.