Varistor – Símbolo, Trabalho, Tipos e Aplicações
O pequeno pacote de resistência, o resistor é usado em tantos circuitos, de tantas formas, que é quase um componente eléctrico omnipresente. Desde as resistências fixas muito básicas, onde a resistência permanece inalterada, até diferentes tipos de resistências variáveis, cujas resistências mudam de acordo com diferentes fatores. As resistências variáveis são de diferentes tipos; há aquelas em que o comprimento efetivo da tira resistiva desempenha um papel na mudança das resistências como os potenciômetros e reóstatos e depois há outro conjunto de resistências variáveis onde não é possível uma mudança manual na resistência, ao contrário, são sensíveis a fatores físicos como temperatura, tensão, campo magnético, etc.
Já discutimos o resistor variável onde a resistência pode ser alterada manualmente (como potenciómetro e reóstatos) nos nossos artigos anteriores.
Este artigo irá guiá-lo através do mundo de um resistor que depende da tensão, conhecido como Varistores.
O que é um Varistor?
Um Varistor é um resistor variável cuja resistência depende da tensão aplicada. O nome foi cunhado por uma mistura linguística de palavras; “variando” e “resistor”. Eles também são conhecidos pelo nome VDR e têm características não óhmicas. Portanto, eles estão sob o tipo não linear de resistores.
Desse modo como os potenciômetros e reóstatos, onde a resistência muda de um valor mínimo para um valor máximo, aqui no Varistor a resistência muda automaticamente com uma mudança na tensão aplicada. Este Varistor possui dois elementos semicondutores, e fornece proteção de sobre tensão em um circuito, semelhante a um diodo Zener.
Então como a mudança na tensão aplicada muda sua resistência? Bem, a resposta está na sua composição. Como é feito de material semicondutor, a sua resistência diminui à medida que a tensão que o atravessa aumenta. Quando há um aumento excessivo da tensão, a resistência através dela diminui em vários. Este comportamento faz deles uma boa escolha para a protecção de sobretensão em circuitos sensíveis.
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Um Varistor da vida real são mostrados na figura acima. Você pode confundi-los com condensadores. No entanto, Varistores e capacitores não têm nada mais em comum do que seu tamanho e design.
Um Varistor é usado para suprimir tensão, enquanto um capacitor não pode realizar tais funções.
Varistor Symbol
Em seus primeiros dias, o Varistor foi representado como dois diodos colocados anti-paralelos um ao outro, como mostrado na figura, devido ao seu comportamento como diodo em ambos os sentidos do fluxo de corrente. Entretanto, agora esse símbolo é usado para um DIAC. Nos circuitos modernos, o símbolo para o Varistor é mostrado abaixo.
Você pode se perguntar como é que um Varistor ajuda a suprimir os transientes de tensão em um circuito? Para entender isso, vamos primeiro entender qual é a fonte de transientes de voltagem. A origem dos transientes de tensão em circuitos e fontes elétricas é independente se eles operam a partir de uma fonte CA ou CC, já que sua origem é do próprio circuito ou eles são transmitidos a partir de qualquer fonte externa. Estes transientes resultam em um aumento da tensão para vários milhares de volts, o que pode ser catastrófico para o circuito.
Atenção destes transientes de tensão precisa ser suprimida.
O efeito L(di/dt) que é causado pela comutação de bobinas indutivas, correntes de magnetização de transformadores e outras aplicações de comutação de motores CC, é a fonte mais comum de transientes de tensão.
A figura abaixo mostra a forma de onda de um transiente AC.
A conexão de um Varistor em um circuito pode ser feita da seguinte forma:
- Em circuitos CA: Phase to neutral ou Phase to Phase
- Em circuitos DC: Positivo a terminal negativo.
Agora e a resistência oferecida por um Varistor? A próxima seção trata disso.
RESISTÊNCIA E VOLTAGEM ESTÁTICA DE UM VARISTOR:
O nome “Varistor” sugere um dispositivo que fornece resistência como um potenciômetro ou um reostato, entretanto a função real de um Varistor é completamente diferente deles.
Primeiro, a mudança na resistência não pode ser feita manualmente como a de um pote ou reostato. Segundo, sob tensão normal de funcionamento, a resistência oferecida por um Varistor é muito alta. Como esta tensão começa a aumentar abruptamente, principalmente devido aos transientes de tensão produzidos no circuito ou induzidos por uma fonte externa, a resistência começa a diminuir rapidamente.
A relação entre a resistência estática e a tensão através do Varistor é mostrada na figura abaixo.
Trabalho de um Varistor
Para explicar o funcionamento de um Varistor, vamos usar sua VI característica mostrada na figura abaixo para entendê-la melhor.
A curva característica V-I do Varistor é semelhante à de um diodo Zener. Ela é bidirecional por natureza, já que vemos que opera tanto no primeiro quanto no terceiro quadrante. Esta característica torna-o adequado para conectá-lo em um circuito com fonte AC ou DC. Para uma fonte AC ele é adequado já que pode funcionar em qualquer direção ou polaridade de uma onda sinusoidal.
A tensão de aperto ou a tensão do Varistor mostrada na figura é definida como a tensão até a qual a corrente através do Varistor é muito baixa, na maioria das vezes da ordem de poucos milli-amperes. Esta corrente é comumente chamada de corrente de fuga. Este valor da corrente de fuga deve-se à alta resistência do Varistor, quando a tensão de aperto é aplicada através do Varistor.
Agora olhando para a característica VI, vemos que à medida que a tensão através do Varistor aumenta acima da tensão de aperto, há um aumento abrupto da corrente.
Isto acontece devido à súbita diminuição da resistência resultante de um fenômeno chamado de ruptura da avalanche, onde acima de uma tensão limite (neste caso a tensão de aperto) os elétrons começam a fluir rapidamente diminuindo assim a resistência e aumentando a corrente através do Varistor.
Isso ajuda durante os transientes de tensão, pois quando o circuito experimenta uma tensão transiente alta, a tensão através do Varistor aumenta, para um valor maior que a sua tensão nominal (de aperto), que por sua vez aumenta a corrente e atua como condutor.
Uma outra característica do Varistor que pode ser vista a partir das características do VI é que, mesmo quando há um aumento da corrente, a tensão através dele permanece quase igual à tensão de aperto. Isto significa que age como um auto-regulador mesmo no evento de um transiente de tensão, tornando-o mais adequado para o mesmo, pois mantém o aumento de tensão sob controle, durante tal evento.
A curva íngreme não linear indica que correntes excessivas podem passar através do Varistor em uma faixa muito estreita de tensão (indicando sua propriedade auto-reguladora) e cortar qualquer pico de tensão.
Capacidade em um Varistor
Como discutido nas seções anteriores, o estado isolante do Varistor significa que a tensão aplicada através dele é igual ou menor que a tensão de aperto.
Um Varistor, em seu estado não condutor ou isolante, age mais como um condensador do que um resistor. Como o corpo semicondutor do Varistor age como um isolante durante seu estado isolante, ele pode ser considerado como o material dielétrico, enquanto os dois terminais podem ser considerados como os dois eletrodos.
Então isso significa que qualquer Varistor em seu estado não condutor terá uma capacitância, que é proporcional à área do corpo semicondutor e inversamente proporcional à espessura do mesmo.
No entanto, como o Varistor experimenta um aumento de tensão através dele, ele perde sua propriedade isolante e começa a conduzir. Neste caso, ele não possui mais uma capacitância.
Então, voltando ao comportamento condensador do Varistor, uma questão principal vem à mente. Será que ele se comporta da mesma forma para os circuitos AC e DC?
A resposta a esta pergunta está na frequência destes circuitos. Como sabemos que num circuito DC, não há papel para a frequência. Assim, a capacitância permanece até que a tensão seja igual ou inferior à tensão nominal.
Em circuitos de corrente alternada, no entanto, o caso é diferente. Aqui a frequência desempenha um papel importante. Assim, em sua região não condutora, a capacitância do Varistor afeta sua resistência.
Desde que estes Varistores são normalmente conectados paralelamente ao dispositivo eletrônico a ser protegido, a resistência de fuga cai com um aumento na freqüência. A resitância paralela resultante e a frequência têm uma relação linear.
Para circuitos AC, a reactância capacitiva é dada pela fórmula
XC = 1/(2Pi.fC)Where f= frequency of the circuit, C=capacitance.
Assim, nestes circuitos a corrente de fuga aumenta com um aumento da frequência.
Agora vamos discutir os tipos importantes de Varistores em resumo.
Tipos de Varistores
O tipo de Varistores depende do tipo de material do seu corpo. Os dois tipos mais comuns de Varistores foram discutidos abaixo.
- Varistor de Carboneto de Silício: Como pode ser adivinhado pelo próprio nome, o corpo do Varistor é feito de Carboneto de Silício (SiC). Foi amplamente utilizado uma vez, antes da chegada do novo MOV ao mercado. Agora eles são utilizados intensivamente em aplicações de alta potência e alta tensão. No entanto, eles extraem uma corrente de reserva significativa e esta é a maior desvantagem deste tipo de Varistor. Devido a isso, é necessário um intervalo de série para limitar o consumo de energia em stand-by.
- Varistores de óxido metálico (MOV): Como os Varistores SiC tinham alguns inconvenientes sérios, outro tipo de Varistores foram desenvolvidos os Varistores de óxido metálico. Ele fornece uma proteção transitória de voltagem muito boa e agora é bastante popular.
O corpo é feito de óxido metálico, na sua maioria grãos de óxido de zinco. Estes são prensados como uma massa cerâmica, com 90% dos grãos de óxido de zinco e 10% de outros óxidos metálicos como cobalto, bismuto e manganês.
Esta é então ensanduichada entre as duas placas metálicas. Os 10% de óxidos metálicos de bismuto de cobalto e manganês atuam como aglutinantes dos grãos de óxido de zinco para que se mantenham intactos entre as duas placas de metal. Os terminais de ligação ou os condutores estão ligados às duas placas metálicas.
Figure abaixo mostra a estrutura interna do MOV.
A maior vantagem do MOV sobre o Varistor de Carboneto de Silício é a sua baixa corrente de fuga. O MOV tem uma corrente de fuga muito baixa em condições normais de operação.
Também o MOV tem um nível muito alto de características de tensão de corrente não linear.
Uma desvantagem deste tipo é que, a corrente de fuga depende da largura do pulso transitório e do número de repetições de pulso. Assim, para um pulso transiente com uma largura de pulso elevada, a corrente de pico irá aumentar e pode causar problemas de aquecimento.
No entanto, este aquecimento pode ser evitado pela dissipação da energia que é absorvida pelo pulso transiente.
Um outro tipo importante de Varistor está presente no mercado, conhecido como SMD ou dispositivo de montagem de superfície Varistor. Vamos discuti-los na próxima seção.
Surface Mount Device Varistor
São como todos os outros Varistores, utilizados principalmente em circuitos de proteção. O corpo pode ser de óxido de metal ou de carboneto de silício. A principal diferença entre estes Varistores e os Varistores tradicionais é que ele é pequeno em tamanho e é construído usando a tecnologia de montagem em superfície. Isto significa que estes dispositivos podem ser facilmente conectados em um PCB, uma vez que seus cabos são menores em tamanho ou têm pinos soldados a almofadas na superfície da placa, eliminando a necessidade de furos no PCB.
p>alguns dos populares Varistores SMD incluem: Série AUML – Supressor Transitório de Surtos de Tensão Multicamadas, Série MLA AUTO – Varistor MLA Automotivo Multicamadas (MLV) Série,
Algumas amostras de SMD são mostradas na figura abaixo:
Créditos de Imagem
Conclusão:
O termo “Varistores” é uma amálgama dos dois termos variando e resistências. Embora o nome sugira que este dispositivo funcione como um potenciómetro ou um reóstato, o seu funcionamento é completamente diferente. Aqui a resistência muda em relação à tensão.
A principal aplicação do Varistor é na protecção dos circuitos contra transientes de tensão.
O corpo semicondutor dos Varistores ajuda no mesmo. Como um díodo zener, a curva característica VI do Varistor mostra um pico de corrente após uma determinada tensão limite. Esta tensão limite é chamada de tensão nominal ou tensão de aperto. Quando a tensão aplicada através do Varistor está bem abaixo ou igual à tensão de aperto, o Varistor tem alta resistência e, portanto, é dito que está no seu estado isolante. No entanto, como esta tensão aumenta para além da tensão de aperto, a resistência diminui como resultado da avaria da avalanche no corpo do semicondutor. Neste caso diz-se que o Varistor está no seu estado condutor.
Existem dois tipos principais de Varistores disponíveis no mercado, nomeadamente o Varistor de carboneto de silício e o Varistor de óxido metálico. O Carboneto de Silício foi gradualmente substituído por Varistores de Óxido de Metal, pois o primeiro tinha uma quantidade consideravelmente alta de corrente de fuga.
Varistores também estão disponíveis em dispositivo de montagem superficial que os ajuda a serem facilmente fabricados em circuitos PCB.