Varistor – Simbol, Funcționare, Tipuri și Aplicații
Micul pachet de rezistență, rezistorul, este folosit în atât de multe circuite, în atât de multe forme, încât este aproape o componentă electrică omniprezentă. De la foarte simplele rezistențe fixe, în care rezistența rămâne neschimbată, până la diferite tipuri de rezistențe variabile, ale căror rezistențe se modifică în funcție de diferiți factori. Rezistențele variabile sunt de diferite tipuri; există unele în care lungimea efectivă a benzii rezistive joacă un rol în schimbarea rezistențelor, cum ar fi potențiometrele și reostatele, iar apoi există un alt set de rezistențe variabile în care nu este posibilă o schimbare manuală a rezistenței, ci mai degrabă sunt sensibile la factori fizici, cum ar fi temperatura, tensiunea, câmpul magnetic etc.
Am discutat deja despre rezistența variabilă în care rezistența poate fi schimbată manual (cum ar fi potențiometrul și reostatele) în articolele noastre anterioare.
Acest articol vă va ghida prin lumea unei rezistențe care depinde de tensiune, cunoscută sub numele de Varistori.
Ce este un Varistor?
Un Varistor este o rezistență variabilă a cărei rezistență depinde de tensiunea aplicată. Denumirea a fost inventată prin îmbinarea lingvistică a cuvintelor; „variație” și „rezistență”. Ele sunt cunoscute și sub denumirea de VDR și au caracteristici neohmice. Prin urmare, ele intră în categoria tipurilor de rezistențe neliniare.
Spre deosebire de potențiometre și reostate, unde rezistența se modifică de la o valoare minimă la o valoare maximă, aici, în cazul Varistorului, rezistența se modifică automat odată cu o schimbare a tensiunii aplicate. Acest Varistor are două elemente semiconductoare și asigură protecția la supratensiune într-un circuit, similar cu o diodă Zener.
Atunci, cum schimbă modificarea tensiunii aplicate rezistența acestuia? Ei bine, răspunsul se află în compoziția sa. Deoarece este alcătuit din material semiconductor, rezistența sa scade pe măsură ce crește tensiunea la nivelul acestuia. Atunci când există o creștere excesivă a tensiunii, rezistența la nivelul ei scade de mai multe ori. Acest comportament le face să fie o alegere bună pentru protecția la supratensiune în circuitele sensibile.
Creditul imaginii
Un varistor de viață reală sunt prezentate în figura de mai sus. Este posibil să le confundați cu condensatorii. Cu toate acestea, Varistoarele și condensatoarele nu au nimic mai mult în comun decât dimensiunea și designul lor.
Un Varistor este utilizat pentru a suprima tensiunea, în timp ce un condensator nu poate îndeplini astfel de funcții.
Simbolul Varistorului
La începuturile sale, Varistorul a fost reprezentat ca două diode plasate în antiparalelă una față de cealaltă, așa cum se arată în figură, datorită comportamentului său asemănător cu cel al unei diode în ambele direcții ale fluxului de curent. Cu toate acestea, în prezent, acest simbol este utilizat pentru un DIAC. În circuitele moderne, simbolul pentru Varistor este prezentat mai jos.
S-ar putea să vă întrebați cum es un Varistor ajută la suprimarea tranziențelor de tensiune într-un circuit? Pentru a înțelege acest lucru, haideți să înțelegem mai întâi care este sursa de tranzitori de tensiune. Originea tensiunii Tranzitorii de tensiune în circuitele și sursele electrice sunt indiferent dacă acestea funcționează de la o sursă de curent alternativ sau continuu, deoarece originea lor este din circuitul însuși sau sunt transmise din orice surse externe. Aceste tranzitorii au ca rezultat o creștere a tensiunii până la câteva mii de volți, care se poate dovedi catastrofală pentru circuit.
În consecință, aceste tranzitorii de tensiune trebuie să fie suprimate.
Efectul L(di/dt) care este cauzat de comutarea bobinelor inductive, de curenții de magnetizare a transformatoarelor și de alte aplicații de comutare a motoarelor de curent continuu, este cea mai comună sursă de tranzitori de tensiune.
Figura de mai jos prezintă forma de undă a unui tranzitoriu de curent alternativ.
Conectarea os unui Varistor într-un circuit se poate face după cum urmează:
- În circuitele CA: De la fază la neutru sau de la fază la fază
- În circuitele de curent continuu: De la borna pozitivă la cea negativă.
Acum cum rămâne cu rezistența oferită de un Varistor? Următoarea secțiune se ocupă de asta.
REZISTENȚA ȘI TENSIUNEA STATICĂ A UNUI VARISTOR:
Numele „Varistor” sugerează un dispozitiv care oferă rezistență ca un potențiometru sau un reostat, însă funcția reală a unui Varistor este complet diferită de acestea.
În primul rând, modificarea rezistenței nu se poate face manual ca la un pot sau un reostat. În al doilea rând, în condiții normale de tensiune de funcționare, rezistența oferită de un Varistor este foarte mare. În momentul în care această tensiune începe să crească brusc, mai ales din cauza tranziențelor de tensiune produse în circuit sau induse de o sursă externă, rezistența începe să scadă rapid.
Relația dintre rezistența statică și tensiunea la bornele Varistorului este prezentată în figura de mai jos.
Funcționarea unui Varistor
Pentru a explica funcționarea unui Varistor, să folosim caracteristica sa VI prezentată în figura de mai jos pentru a o înțelege mai bine.
Curba caracteristică V-I a Varistorului este similară cu cea a unei diode Zener. Ea este de natură bidirecțională, deoarece vedem că funcționează atât în primul cât și în al treilea cadran. Această caracteristică îl face potrivit pentru a fi conectat într-un circuit cu o sursă de curent alternativ sau continuu. Pentru o sursă de curent alternativ este potrivită, deoarece poate funcționa în ambele direcții sau polarități ale unei unde sinusoidale.
Tensiunea de blocare sau tensiunea Varistorului prezentată în figură este definită ca fiind tensiunea până la care curentul prin Varistor este foarte mic, de cele mai multe ori de ordinul a câtorva miliamperi. Acest curent este numit în mod obișnuit curent de scurgere. Această valoare a curentului de scurgere se datorează rezistenței ridicate a Varistorului, atunci când tensiunea de blocare este aplicată pe Varistor.
Cu privire la caracteristica VI, observăm că, pe măsură ce tensiunea pe Varistor crește peste tensiunea de blocare, se produce o creștere bruscă a curentului.
Acest lucru se întâmplă din cauza scăderii bruște a rezistenței care rezultă dintr-un fenomen numit defecțiune în avalanșă, în care, peste o tensiune de prag (în acest caz, tensiunea de blocare), electronii încep să circule rapid, scăzând astfel rezistența și crescând curentul prin Varistor.
Acest lucru ajută în timpul tranzițiilor de tensiune, deoarece atunci când circuitul experimentează o tensiune tranzitorie ridicată, tensiunea la bornele Varistorului crește, până la o valoare mai mare decât tensiunea sa nominală (de blocare), ceea ce, la rândul său, crește curentul și acționează ca un conductor.
O altă caracteristică a Varistorului care poate fi observată din caracteristicile VI este că , chiar și atunci când există o creștere a curentului, tensiunea la bornele acestuia rămâne aproape egală cu tensiunea de blocare. Acest lucru înseamnă că se comportă ca un autoreglator chiar și în cazul unui tranzitoriu de tensiune, ceea ce îl face mai potrivit pentru același lucru, deoarece menține sub control creșterea tensiunii, în timpul unui astfel de eveniment.
Curba abruptă neliniară indică faptul că prin Varistor pot trece curenți excesivi pe o gamă foarte îngustă de tensiune( ceea ce indică proprietatea sa de autoreglare) și taie orice vârf de tensiune.
Capacitanță într-un Varistor
După cum s-a discutat în secțiunile anterioare, starea de izolare a Varistorului înseamnă că tensiunea aplicată pe acesta este egală sau mai mică decât tensiunea de blocare.
Un Varistor, în starea sa neconductoare sau în starea de izolare, acționează mai mult ca un condensator decât ca o rezistență. Deoarece corpul semiconductor al varistorului se comportă ca un izolator în timpul stării de izolare, acesta poate fi considerat ca fiind materialul dielectric, în timp ce cele două terminale pot fi considerate ca fiind cei doi electrozi.
Acesta înseamnă că orice varistor în starea de neconductibilitate va avea o capacitate, care este proporțională cu suprafața corpului semiconductor și invers proporțională cu grosimea acestuia.
Cu toate acestea, pe măsură ce varistorul este supus unei creșteri a tensiunii, acesta își pierde proprietatea izolatoare și începe să conducă. În acest caz, nu mai posedă o capacitate.
Prin urmare, revenind la comportamentul de condensator al Varistorului, ne vine în minte o întrebare principală. Se comportă acesta în același mod pentru circuitele de curent alternativ și de curent continuu?
Răspunsul la această întrebare se află în frecvența acestor circuite. După cum știm, într-un circuit de curent continuu, nu există niciun rol pentru frecvență. Prin urmare, capacitatea rămâne până când tensiunea este egală sau mai mică decât tensiunea nominală.
În circuitele de curent alternativ, însă, cazul este diferit. Aici frecvența joacă un rol important. Astfel, în regiunea sa neconductoare, capacitatea Varistorului afectează rezistența acestuia.
Din moment ce aceste Varistoare sunt în mod normal conectate în paralel cu dispozitivul electronic care trebuie protejat, rezistența de scurgere scade odată cu creșterea frecvenței. Rezistența paralelă rezultată și frecvența au o relație liniară.
Pentru circuitele de curent alternativ, reactanța capacitivă este dată de formula
XC = 1/(2Pi.fC)Where f= frequency of the circuit, C=capacitance.
De aceea, în aceste circuite, curentul de scurgere crește odată cu creșterea frecvenței.
Acum să discutăm pe scurt tipurile importante de varistoare.
Tipuri de varistoare
Tipul de varistoare depinde de tipul de material al corpului său. Cele mai comune două tipuri de varistoare au fost discutate mai jos.
- Varistor de carbură de siliciu: După cum se poate ghici chiar din denumire, corpul varistorului este fabricat din carbură de siliciu (SiC). Acesta a fost utilizat pe scară largă cândva, înainte ca noul MOV să apară pe piață. Acum sunt utilizate intensiv în aplicații de mare putere și înaltă tensiune. Cu toate acestea, ele consumă un curent de așteptare semnificativ și acesta este principalul dezavantaj al acestui tip de varistor. Din această cauză, este necesar un decalaj în serie pentru a limita consumul de energie în stand-by.
- Varistoare cu oxizi metalici (MOV): Deoarece Varistoarele SiC aveau unele dezavantaje serioase, a fost dezvoltat un alt tip de Varistoare Varistoarele de oxid metalic. Acesta oferă o protecție foarte bună împotriva tranzienților de tensiune și este acum destul de popular.
Aici corpul este realizat dintr-un oxid metalic, în cea mai mare parte boabe de oxid de zinc. Acestea sunt presate sub forma unei mase ceramice, cu 90 % din grăunțe de oxid de zinc și 10 % din alți oxizi metalici, cum ar fi cobaltul, bismutul și manganul.
Acesta este apoi inserat între cele două plăci metalice. Cele 10 % de oxizi metalici de cobalt bismut și mangan acționează ca un agent de legare a boabelor de oxid de zinc, astfel încât acesta este păstrat intact între cele două plăci metalice. Terminalele de conectare sau conductoarele sunt conectate la cele două plăci metalice.
Figura de mai jos prezintă structura internă a MOV.
Avantajul major al MOV față de Varistorul din carbură de siliciu este curentul de scurgere redus. MOV are un curent de scurgere foarte scăzut în condiții normale de funcționare.
De asemenea, MOV are un nivel foarte ridicat al caracteristicilor de tensiune de curent neliniar.
Un dezavantaj al acestui tip este că, curentul de supratensiune depinde de lățimea impulsului tranzitoriu și de numărul de repetiții ale impulsurilor. Astfel, pentru un impuls tranzitoriu cu o lățime mare a impulsului, curentul de supratensiune va crește și poate cauza probleme de încălzire.
Cu toate acestea, această încălzire poate fi evitată prin disiparea energiei care este absorbită din impulsul tranzitoriu.
Un alt tip important de varistor este prezent pe piață, cunoscut sub numele de SMD sau dispozitiv de montare pe suprafață Varistor. Să le discutăm în secțiunea următoare.
Surface Mount Device Varistor
Sunt la fel ca toți ceilalți Varistori, utilizați în principal în circuitele de protecție. Corpul poate fi fie oxid de metal, fie carbură de siliciu. Principala diferență dintre acești varistori și varistorii tradiționali este faptul că este de dimensiuni mici și este construit folosind tehnologia de montare pe suprafață. Acest lucru înseamnă că aceste dispozitive pot fi conectate cu ușurință într-un PCB, deoarece cablurile lor sunt de dimensiuni mai mici sau au pini lipiți pe plăcuțele de pe suprafața plăcii, eliminând nevoia de găuri în PCB.
Câteva dintre cele mai populare Varistoare SMD includ: Seria AUML – Multilayer Transient Voltage Surge Suppressor, Seria MLA AUTO – Littelfuse MLA Automotive Multi-Layer Varistor (MLV) Series,
Câteva exemple de SMD sunt prezentate în figura de mai jos:
Credite imagine
Concluzie:
Termenul „Varistori” este o amalgamare a celor doi termeni variație și rezistențe. Deși numele sugerează că acest dispozitiv ar funcționa ca un potențiometru sau ca un reostat, funcționarea sa este complet diferită. Aici rezistența se modifică în funcție de tensiune.
Principala aplicație a Varistorului este în protejarea circuitelor împotriva tranzițiilor de tensiune.
Corpul semiconductor al Varistoarelor ajută la același lucru. La fel ca o diodă Zener, curba caracteristică VI a Varistorului arată o creștere bruscă a curentului după o anumită tensiune de prag. Această tensiune de prag se numește tensiune nominală sau tensiune de blocare. Atunci când tensiunea aplicată pe Varistor este mult sub sau egală cu tensiunea de blocare, Varistorul are o rezistență ridicată și, prin urmare, se spune că se află în stare de izolare. Cu toate acestea, pe măsură ce această tensiune crește dincolo de tensiunea de blocare, rezistența scade ca urmare a cedării prin avalanșă în corpul semiconductorului. În acest caz, se spune că varistorul se află în stare de conducție.
Există două tipuri principale de varistoare disponibile pe piață, și anume varistoarele din carbură de siliciu și cele din oxid metalic. Carbura de siliciu a fost înlocuită treptat de Varistoarele cu oxid metalic, deoarece primele aveau o cantitate considerabil de mare de curent de scurgere.
Varistoarele sunt, de asemenea, disponibile în dispozitiv de montare pe suprafață care le ajută să fie ușor de fabricat în circuitele PCB.