Fórum ElektroLab.eu

Varistor - aká je jeho funkcia v elektrickom obvode

Varistor - aká je jeho funkcia v elektrickom obvode
Elektrolab Pridal  Elektrolab
  3157 zobrazení
56
 0
Rádioamatérov almanach

Varistor je pasívny elektronický komponent, ktorého úlohou je ochranu elektrických a elektronických obvodov. Varistory patria do rodiny nelineárnych odporov, čo znamená, že ich vnútorný odpor je úmerný napätiu. Na rozdiel od poistky alebo ističa, ktorý poskytuje ochranu proti nadprúdu, poskytuje varistor ochranu proti prepätiu pomocou napäťového sledovania podobným spôsobom ako zenerova dióda.

História varistora

Jeho označenie "Varistor" je kombináciou slov "VARI-resi-STOR", ktoré sa používajú na opísanie spôsobu jeho fungovania už v začiatkoch jeho vývoja, čo je tak trochu zavádzajúce, pretože hodnotu varistora nie je možné manuálne meniť ako je tomu u potenciometera alebo reostatu.

Vývoj varistora vo forme nového typu usmerňovača na báze vrstvy oxidu meďného na medi vyšiel z práce L.O. Grondahl a P.H. Geiger v roku 1927. Varistor na báze oxidu meďnatého vykazoval premenlivý odpor v závislosti na polarite a veľkosti použitého napätia. Bol vyrobený z malého medeného disku, ktorého jedna strana tvorila vrstvu oxidu meďného. Toto usporiadanie poskytuje nízky odpor voči prúdu prúdiacemu z polovodivého oxidu na stranu medi, ale vysoký odpor voči prúdu v opačnom smere, pričom okamžitý odpor sa kontinuálne mení s privedeným napätím.

V 30. rokoch minulého storočia sa používali malé zostavy s viacerými varistormi s maximálnym rozmerom menej ako jeden palec (palec - 2.54cm) so zjavne neurčitou životnosťou uplatnenie pri ochrane objemných elektrónkových obvodov modulátorov a demodulátorov v systémoch nosných prúdov pre telefónny prenos.

Medzi ďalšie aplikácie pre varistory v telefónnom priemysle patrila ochrana obvodov pred napäťovými špičkami a šumom, ako aj potlačenie kliknutia na prvkoch prijímača (slúchadla), ktoré chránia uši používateľov pred praskaním pri prepínaní obvodov. Tieto varistory boli skonštruované vrstvením párneho počtu usmerňovacích diskov do stohu a pripojením koncov koncov a stredu v antiparalelnej konfigurácii.

Telefónny prístroj typu Western Electric 500 z roku 1949 zaviedol obvod na vyrovnávanie dynamickej slučky pomocou varistorov, ktoré posúvali relatívne vysoké úrovne slučkového prúdu na krátkych slučkách ústredne, aby automaticky upravovali úrovne vysielania a prijímania signálu. Na dlhých slučkách si varistory udržiavali relatívne vysoký odpor a signifikantne nezmenili signály. Iný typ varistora vyrobil začiatkom 30. rokov R. O. Grisdale z karbidu kremíka. Slúžil na ochranu telefónnych liniek pred bleskom.

Na začiatku 70. rokov minulého storočia japonskí vedci uznali polovodivé elektronické vlastnosti oxidu zinočnatého (ZnO) ako užitočné pre nový typ varistora v procese keramického spekania, ktorý vykazoval funkciu podobnú dvojici  zenerových diód. Tento typ sa stal preferovanou metódou ochrany obvodov pred rázovými napätiami a inými ničivými elektrickými poruchami a stal sa všeobecne známym ako varistor na báze oxidu kovu (MOV). Náhodnosť orientácie zŕn ZnO vo väčšej časti tohto materiálu poskytuje rovnaké napäťovo-prúdové charakteristiky pre oba smery prúdenia.

Varistor

Na rozdiel od variabilného rezistora, ktorého hodnota odporu sa dá manuálne meniť medzi jeho minimálnou a maximálnou hodnotou, varistor mení svoju hodnotu odporu automaticky so zmenou napätia na ňom, čo z neho robí napäťovo závislý nelineárny rezistor alebo VDR.

V súčasnosti je odporové teleso varistora vyrábené z polovodičového materiálu, čo z neho robí typ polovodičového rezistora s neohmickými symetrickými napäťovými a prúdovými charakteristikami, ktorý je vhodný pre aplikácie na striedavé aj jednosmerné napätie. V mnohých ohľadoch vyzerá varistor kapacitne podobne ako kondenzátor a  často sú medzi sebou zamieňané najmä vďaka veľkej podobnosti púzdra. Kondenzátor však nemôže potlačiť rázové napätie rovnakým spôsobom ako varistor. Keď sa na obvod aplikuje prepätie v podobe vysokého napätia, výsledok je pre napájaný obvod obvykle katastrofický, preto varistor hrá veľmi dôležitú úlohu pri ochrane citlivých elektronických obvodov pred spínacími špičkami a prechodovými rozdielmi v napätí a prúde.

Prechodné rázy pochádzajú z rôznych elektrických obvodov a zdrojov bez ohľadu na to, či pochádzajú zo zdroja striedavého alebo jednosmerného prúdu, pretože sú často generované aj v samotnom obvode alebo prenášané do obvodu z externých zdrojov. Prechodné javy v obvode môžu rýchlo stúpať a zvyšovať napätie až na niekoľko tisíc voltov. Je preto potrebné zabrániť tomu, aby sa tieto napäťové špičky objavili v citlivých elektronických obvodoch a komponentoch.

Jedným z najbežnejších zdrojov prechodových napätí je efekt L (di / dt) spôsobený indukčnosťou cievok a magnetických prúdov transformátora, aplikáciami na spínanie jednosmerných motorov a prepätiami spôsobenými zapínaním žiarivkových svetelných obvodov alebo inými prepätiami.

Prechodové priebehy krivky AC

Varistory sú pripojené v obvodoch k sieťovému napájaniu buď z fázy na neutrál, z fázy na fázu pre striedavý prúd alebo z kladného na záporný pre jednosmerný prúd a s napätím zodpovedajúcim ich použitiu. Varistor je možné použiť aj na stabilizáciu jednosmerného napätia a najmä na ochranu elektronických obvodov pred prepäťovými impulzmi.

Statický odpor varistora

Za normálnej prevádzky má varistor veľmi vysoký odpor, ktorý sa teraz správa podobným spôsobom ako zenerova dióda tým, že umožňuje, aby spodné prahové napätia prešli nedotknute.

Keď však napätie na varistore prekročí jeho menovitú hodnotu, jeho efektívny odpor silno klesá so zvyšujúcim sa napätím, ako je to znázornenéna obrázku vyššie. Z Ohmovho zákona vieme, že charakteristiky prúdu a napätia (I - U) pevného odporu sú priame za predpokladu, že R je udržiavané konštantné. Potom je prúd priamo úmerný rozdielu potenciálov na koncoch rezistora.

Krivky I - U varistora však nie sú priamkou, pretože aj malá zmena napätia spôsobí významnú zmenu prúdu. Ďalej je uvedená typická krivka normalizovaných charakteristík napätia a prúdu pre štandardný varistor.

Krivka charakteristík varistora

Na hornom obrázku vidíme, že varistor má symetrické obojsmerné charakteristiky, to znamená, že varistor pracuje v obidvoch smeroch (kvadrant Ι a ΙΙΙ) sínusového priebehu, ktorý sa správa podobne ako dve zenerove diódy. Ak nie je vodivá, vykazuje krivka I - U lineárny vzťah, pretože prúd pretekajúci varistorom zostáva konštantný a nízky iba pri niekoľkých mikroampéroch "únikového" prúdu. Je to spôsobené jeho vysokým odporom pôsobiacim ako otvorený obvod a zostáva konštantným, kým napätie na varistore nedosiahne konkrétne "menovité napätie".

Toto menovité alebo rozpínacie napätie je napätie na varistore namerané so špecifikovaným jednosmerným prúdom 1 mA. To znamená, že úroveň jednosmerného napätia aplikovaného na jeho svorky umožňuje prúdom 1 mA pretekať cez odporové teleso varistorov, ktoré je samotné závislé od materiálov použitých pri jeho konštrukcii. Na tejto napäťovej úrovni sa začne varistor meniť z izolačného stavu na vodivý.

Keď je prechodové napätie na varistore rovnaké alebo väčšie ako menovitá hodnota, odpor zariadenia sa náhle zmenší na veľmi malý, čím sa varistor zmení na vodič v dôsledku lavínového efektu jeho polovodičového materiálu. Malý zvodový prúd pretekajúci varistorom rýchlo stúpa, ale napätie v ňom je obmedzené na úroveň tesne nad napätím reakcie varistora.

Inými slovami, varistor samočinne reguluje prechodné napätie cez seba tým, že ním preteká väčší prúd a vďaka svojej strmej nelineárnej krivke I - U môže prechádzať široko sa meniace prúdy v úzkom rozsahu napätia, pričom oddeľuje všetky napäťové špičky.

Hodnoty kapacity varistora

Pretože hlavná vodivá oblasť varistora medzi jeho dvoma svorkami sa správa ako dielektrikum, pod jeho reakčným napätím pôsobí varistor skôr viac ako kondenzátor než ako odpor. Každý polovodičový varistor má hodnotu kapacity, ktorá priamo závisí od jeho oblasti a mení sa inverzne s jeho hrúbkou. Pri použití v jednosmerných obvodoch zostáva kapacita varistora viac-menej konštantná za predpokladu, že sa použité napätie nezvýši nad hladinu reakčného napätia a náhle poklesne blízko maximálneho menovitého trvalého jednosmerného napätia.

V striedavých obvodoch však táto kapacita môže ovplyvniť odpor tela varistora v nevodivej oblasti úniku jeho charakteristík I - U. Pretože sú zvyčajne paralelne spojené s elektrickým zariadením, aby ho chránilo pred prepätím, únikový odpor varistorov rýchlo klesá so zvyšovaním frekvencie. Tento vzťah je približne lineárny s frekvenciou a výsledný paralelný odpor, jeho AC reaktanciu, Xc možno vypočítať pomocou obvyklého vzorca 1 / (2πƒC) tak, ako pre normálny kondenzátor. Keď sa potom zvyšuje frekvencia, zvyšuje sa aj jej zvodový prúd.

Ale rovnako ako varistor na báze kremíka čiže polovodiča, aj varistory na báze oxidu kovov boli vyvinuté, aby prekonali niektoré obmedzenia spojené s ich príbuznými z karbidu kremíka.

Varistor na báze oxidu kovu

Variant oxidu kovu alebo skrátene MOV je rezistor závislý od napätia, v ktorom je odporovým materiálom oxid kovu, predovšetkým oxid zinočnatý (ZnO) zlisovaný do materiálu podobného keramike. Varistory na báze oxidu kovu pozostávajú z približne 90% oxidu zinočnatého ako keramického základného materiálu a ďalších výplňových materiálov na vytváranie spojov medzi zrnami oxidu zinočnatého.

Varistory z oxidu kovu sú dnes najbežnejším typom varistorov a sú k dispozícii pre použitie v širokom rozsahu napätí a prúdov. Použitie oxidu kovu v ich konštrukcii znamená, že MOV sú mimoriadne účinné pri absorpcii krátkodobých prechodových napätí a majú vyššiu schopnosť manipulácie s energiou.

Rovnako ako u normálneho varistora, aj varistor na báze oxidu kovu začína viesť pri špecifickom napätí a zastaví ho, keď napätie klesne pod prahové napätie. Hlavné rozdiely medzi štandardným varistorom z karbidu kremíka (SiC) a varistorom typu MOV spočívajú v tom, že únikový prúd cez materiál oxidu zinočnatého v systéme MOV je za normálnych prevádzkových podmienok veľmi malý a jeho rýchlosť činnosti v reakčných prechodoch je oveľa rýchlejšia.

Varistory MOV majú spravidla radiálne vodiče a tvrdý vonkajší modrý alebo čierny epoxidový povlak, ktorý sa veľmi podobá diskovým keramickým kondenzátorom a je možné ich podobným spôsobom fyzicky namontovať na dosky plošných spojov. Konštrukcia typického varistora oxidu kovu je na obrázku nižšie.

Konštrukcia varistora.

Konštrukcia varistora na báze oxidu kovu

Pre výber správneho MOV pre konkrétnu aplikáciu je žiaduce mať určité znalosti o impedancii zdroja a možnom impulznom výkone a o prechodových javoch. Pre prichádzajúce prechodové alebo fázové prechodové javy je výber správneho MOV o niečo ťažší, pretože všeobecne nie sú známe charakteristiky napájacieho zdroja. Všeobecne platí, že výber MOV pre elektrickú ochranu obvodov pred prechodnými javmi a špičkami v napájaní je často potrebné viac, než pracovať iba s odhadom.

Varistory na báze oxidu kovu sú však k dispozícii v širokom rozmedzí varistorových napätí, od približne 10 voltov do viac ako 1 000 voltov striedavého alebo jednosmerného prúdu, takže výberu možno pomôcť znalosťou veľkosti  napájacieho napätia. Napríklad pri výbere MOV alebo kremíkového varistora, pokiaľ ide o napätie, by jeho maximálna hodnota trvalého efektívneho napätia mala byť tesne nad najvyšším očakávaným napájacím napätím, napríklad 130  Urms pre napájanie 120 Urms a 260 Urms pre napájanie 230 voltov.

Maximálna hodnota nárazového prúdu, ktorú bude mať varistor, závisí od šírky prechodného impulzu a počtu opakovaní tohoto impulzu. Možno predpokladať šírku prechodného impulzu, ktorý je zvyčajne 20 až 50 μs dlhý. Ak je hodnota špičkového impulzného prúdu nedostatočná, môže sa varistor prehriať a poškodiť. Aby varistor fungoval bez akejkoľvek poruchy alebo degradácie, musí byť schopný rýchlo rozptýliť absorbovanú energiu prechodného impulzu a bezpečne sa vrátiť do stavu pred impulzom.

Použitie varistora

Varistory majú veľa výhod a môžu sa použiť v mnohých rôznych typoch aplikácií na potlačenie napäťových špičiek zo siete od domácich spotrebičov a osvetlenia až po priemyselné zariadenia umiestnených na napájacích sieťach striedavého alebo jednosmerného prúdu. Varistory je možné pripojiť priamo na sieťové napájanie, alebo ako ochranu na ochranu tranzistorov, tranzistorov MOSFET a tyristorových mostíkov.

Príklady použitia a zapojenia varistora.