Varistor – Symbol, funktion, typer och tillämpningar
Varistorn, som är ett litet motståndspaket, används i så många kretsar i så många olika former att den nästan är en allestädes närvarande elektrisk komponent. Från de mycket enkla fasta motstånden, där motståndet förblir oförändrat, till olika typer av variabla motstånd, vars motstånd förändras enligt olika faktorer. De variabla motstånden är av olika typer; det finns sådana där den effektiva längden på den resistiva remsan spelar roll för att ändra motståndet, som potentiometrar och reostater, och sedan finns det andra typer av variabla motstånd där det inte är möjligt att manuellt ändra motståndet, utan de är snarare känsliga för fysikaliska faktorer som temperatur, spänning, magnetfält osv.
Vi har redan diskuterat det variabla motståndet där motståndet kan ändras manuellt (som potentiometer och reostater) i våra tidigare artiklar.
Denna artikel kommer att guida dig genom världen av ett motstånd som är spänningsberoende, så kallade varistorer.
Vad är en varistor?
En varistor är ett varierande motstånd vars motstånd beror på den applicerade spänningen. Namnet har myntats genom en språklig blandning av orden; ”varierande” och ”motstånd”. De är också kända under namnet VDR och har icke-ohmiska egenskaper. Till skillnad från potentiometrar och reostater, där motståndet förändras från ett minimivärde till ett maximivärde, förändras motståndet i varistorer automatiskt med en förändring av den applicerade spänningen. Varistorn har två halvledarelement och ger överspänningsskydd i en krets, på samma sätt som en zenerdiod.
Hur ändrar ändringen av den applicerade spänningen dess motstånd? Jo, svaret ligger i dess sammansättning. Eftersom den är tillverkad av halvledarmaterial sjunker dess motstånd när spänningen över den ökar. När spänningen ökar för mycket minskar motståndet över den mångdubbelt. Detta beteende gör dem till ett bra val för överspänningsskydd i känsliga kretsar.
Bildkredit
En riktig varistor visas i figuren ovan. Du kanske förväxlar dem med kondensatorer. Varistorer och kondensatorer har dock inget mer gemensamt än storlek och utformning.
En varistor används för att undertrycka spänning, medan en kondensator inte kan utföra sådana funktioner.
Varistorsymbol
I sin tidiga tid representerades varistorn som två dioder som placerades antiparallellt till varandra, enligt figuren, på grund av dess diodliknande beteende i båda riktningarna av strömflödet. Nu används dock den symbolen för en DIAC. I moderna kretsar visas symbolen för varistor nedan.
Du kanske undrar hur en varistor hjälper till att undertrycka spänningsövergångar i en krets? För att förstå detta måste vi först förstå vad källan till spänningsövergångar är. Ursprunget till spänning Transient i elektriska kretsar och källor är oavsett om de drivs från en växelströms- eller likströmskälla, eftersom deras ursprung är från själva kretsen eller de överförs från någon extern källa. Dessa transienter resulterar i en ökning av spänningen till flera tusen volt, vilket kan visa sig vara katastrofalt för kretsen.
Därmed måste dessa spänningsövergångar undertryckas.
L(di/dt)-effekten, som orsakas av omkoppling av induktiva spolar, transformatorers magnetiseringsströmmar och andra tillämpningar för omkoppling av likströmsmotorer, är den vanligaste källan till spänningsövergångar.
Figuren nedan visar vågformen för en växelströmstransient.
Inkopplingen av en varistor i en krets kan göras på följande sätt:
- I växelströmskretsar: Fas till neutral eller fas till fas
- I DC-kretsar:
Nu hur är det med det motstånd som en varistor erbjuder? Nästa avsnitt handlar om det.
STATISKT MOTSTÅND OCH SPÄNNING AV EN VARISTOR:
Namnet ”varistor” antyder en anordning som ger motstånd som en potentiometer eller en reostat, men en varistors egentliga funktion skiljer sig helt från dem.
För det första kan förändringen av motståndet inte göras manuellt som i en potentiometer eller en reostat. För det andra är det motstånd som en varistor erbjuder mycket högt vid normal driftsspänning. När denna spänning börjar öka abrupt, oftast på grund av spänningsövergångar som produceras i kretsen eller induceras från en extern källa, börjar motståndet minska snabbt.
Sambandet mellan det statiska motståndet och spänningen över varistorn visas i figuren nedan.
Varistors funktion
För att förklara hur en varistor fungerar, ska vi använda dess VI-karaktäristik som visas i figuren nedan för att förstå den bättre.
V-I-karakteristiken för varistorn liknar V-I-karakteristiken för en zenerdiod. Den är dubbelriktad till sin natur, eftersom vi ser att den fungerar i både första och tredje kvadranten. Denna egenskap gör det lämpligt att ansluta den i en krets med antingen växel- eller likströmskälla. För en växelströmskälla är den lämplig eftersom den kan fungera i båda riktningarna eller polariteterna av en sinusvåg.
Klampspänningen eller varisterspänningen som visas i figuren definieras som den spänning upp till vilken strömmen genom varistorn är mycket låg, oftast i storleksordningen några milliampere. Denna ström kallas vanligen för läckström. Detta värde på läckströmmen beror på varistorns höga motstånd när klämspänningen läggs på varistorn.
Om vi nu tittar på VI-karakteristiken ser vi att när spänningen över varistorn ökar över klämspänningen sker en plötslig ökning av strömmen.
Detta sker på grund av den plötsliga minskningen av motståndet som är ett resultat av ett fenomen som kallas för lavinkollaps, där elektronerna över en tröskelspänning (i det här fallet klämspänningen) börjar strömma snabbt, vilket minskar motståndet och ökar strömmen genom varistorn.
Detta underlättar vid spänningsövergångar, eftersom när kretsen utsätts för en hög övergående spänning ökar spänningen över varistorn till ett värde som är högre än dess nominella spänning (klämspänning), vilket i sin tur ökar strömmen och fungerar som en ledare.
En annan egenskap hos varistorn som kan ses av VI-karakteristiken är att även när strömmen ökar förblir spänningen över varistorn nästan lika stor som klämspänningen. Detta innebär att den fungerar som en självreglerare även vid en spänningsövergång, vilket gör den mer lämplig för samma sak, eftersom den håller spänningsökningen i schack under en sådan händelse.
Den branta icke linjära kurvan visar att överdrivna strömmar kan passera genom varistorn inom ett mycket smalt spänningsområde (vilket indikerar dess självreglerande egenskap) och avbryta varje spänningsspik.
Kapacitans i en varistor
Som diskuterats i tidigare avsnitt innebär varistorns isolerande tillstånd att den spänning som läggs över den är lika med eller mindre än klämspänningen.
En varistor, i sitt icke-ledande tillstånd eller isolerande tillstånd, fungerar mer som en kondensator än ett motstånd. Eftersom varistorns halvledarkropp fungerar som en isolator under sitt isolerande tillstånd kan den betraktas som det dielektriska materialet, medan de två terminalerna kan betraktas som de två elektroderna.
Detta innebär alltså att en varistor i sitt icke ledande tillstånd kommer att ha en kapacitans som är proportionell mot halvledarkroppens area och omvänt proportionell mot tjockleken på densamma.
Hursomhelst, när varistorn upplever en spänningshöjning över den, förlorar den sin isolerande egenskap och börjar leda. I detta fall har den inte längre någon kapacitans.
Och när vi återvänder till varistorens kondensatorbeteende, kommer en huvudfråga upp i huvudet. Uppför den sig på samma sätt för växel- och likströmskretsar?
Svaret på denna fråga ligger i frekvensen hos dessa kretsar. Som vi vet spelar frekvensen ingen roll i en likströmskrets. Därför förblir kapacitansen kvar tills spänningen är lika med eller mindre än den nominella spänningen.
I växelströmskretsar är dock fallet annorlunda. Här spelar frekvensen en viktig roll. I det icke-ledande området påverkar varistorns kapacitans dess motstånd.
Då dessa varistorer normalt är parallellt anslutna till den elektroniska enhet som ska skyddas, sjunker läckagemotståndet med ökad frekvens. Den resulterande parallella resistansen och frekvensen har ett linjärt förhållande.
För växelströmskretsar ges den kapacitiva reaktansen av formeln
XC = 1/(2Pi.fC)Where f= frequency of the circuit, C=capacitance.
Därmed ökar läckströmmen i dessa kretsar med ökad frekvens.
Nu ska vi kortfattat diskutera de viktiga typerna av varistorer.
Typer av varistorer
Typen av varistorer beror på materialtypen i dess kropp. De två vanligaste typerna av varistorer har diskuterats nedan.
- Kiselkarbidvaristor: Som framgår av själva namnet är varistorns kropp tillverkad av kiselkarbid (SiC). Det användes flitigt en gång i tiden, innan den nya MOV kom ut på marknaden. Nu används de intensivt i tillämpningar med hög effekt och hög spänning. De drar dock en betydande standby-ström och detta är den största nackdelen med denna typ av varistor. På grund av detta krävs ett seriegap för att begränsa standby-strömförbrukningen.
- Metalloxidvaristorer (MOV): Eftersom SiC-varistorer hade vissa allvarliga nackdelar utvecklades en annan typ av varistorer, metalloxidvaristorer. Den ger ett mycket bra skydd mot spänningsövergångar och är nu ganska populär.
Här är kroppen gjord av en metalloxid, oftast zinkoxidkorn. Dessa pressas som en keramisk massa, med 90 % zinkoxidkorn och 10 % andra metalloxider som kobolt, bismut och mangan.
Detta är sedan insprängt mellan de två metallplattorna. De 10 % metalloxiderna kobolt, bismut och mangan fungerar som ett bindemedel för zinkoxidkornen så att de hålls intakta mellan de två metallplattorna. Anslutningsterminalerna eller ledningarna är anslutna till de två metallplattorna.
Figuren nedan visar MOV:s inre struktur.
Den stora fördelen med MOV jämfört med kiselkarbidvaristorn är dess låga läckström. MOV har en mycket låg läckström vid normala driftsförhållanden.
Också MOV har mycket höga nivåer av icke linjära strömspänningsegenskaper.
En nackdel med denna typ är att strömstöten beror på bredden på den transienta pulsen och antalet pulsrepetitioner. För en transientpuls med hög pulsbredd kommer alltså strömmen att öka och kan orsaka uppvärmningsproblem.
Denna uppvärmning kan dock undvikas genom att den energi som absorberas från den transienta pulsen avdunstas.
En annan viktig varistortyp finns på marknaden, den så kallade SMD-varistorn eller ytmonteringsvaristorn. Låt oss diskutera dem i nästa avsnitt.
Surface Mount Device Varistor
De är som alla andra varistorer mest använda i skyddskretsar. Kroppen kan vara antingen av metalloxid eller kiselkarbid. Den största skillnaden mellan dessa varistorer och de traditionella varistorerna är att de är små i storlek och byggs med hjälp av ytmonteringsteknik. Detta innebär att dessa enheter lätt kan anslutas till ett kretskort, eftersom deras ledningar är mindre i storlek eller de har stift som är lödda till kuddar på kretskortets yta, vilket eliminerar behovet av hål i kretskortet.
Några av de populära SMD-varistorerna inkluderar: AUML-serien – Multilayer Transient Voltage Surge Suppressor, MLA AUTO-serien – Littelfuse MLA Automotive Multi-Layer Varistor (MLV) Series,
En del exempel på SMD-varistorer visas i figuren nedan:
Bildkrediter
Slutsats:
Tecknet ”Varistorer” är en sammanslagning av de två begreppen varistor och motstånd. Även om namnet antyder att denna anordning skulle fungera som en potentiometer eller en reostat, fungerar den helt annorlunda. Här ändras motståndet i förhållande till spänningen.
Varistorns främsta användningsområde är att skydda kretsarna mot spänningsövergångar.
Varistorns halvledarkropp hjälper till med samma sak. Liksom en zenerdiod visar varistorns VI-kurva en strömstöt efter en viss tröskelspänning. Denna tröskelspänning kallas nominell spänning eller klämspänning. När spänningen över varistorn är långt under eller lika med spänningen har varistorn ett högt motstånd och sägs därför vara i isolerande tillstånd. När spänningen ökar över klämspänningen sjunker dock motståndet till följd av en lavinbrytning i halvledarkroppen. I detta fall sägs varistorn vara i ledande tillstånd.
Det finns två huvudtyper av varistorer på marknaden, nämligen kiselkarbid- och metalloxidvaristorer. Kiselkarbid ersattes gradvis av metalloxidvaristorer eftersom de förstnämnda hade en betydligt högre mängd läckström.
Varistorer finns också som ytmonterade enheter, vilket gör att de lätt kan tillverkas i PCB-kretsar.