Varistor

Metal-oxide varistor fabricado por Siemens " Halske AG.

Símbolo esquemático varistor moderno, que es el mismo que un símbolo del termistor

Un varistor es un componente electrónico con una resistencia eléctrica que varía con el voltaje aplicado. También conocida como resistencia dependiente de voltaje (VDR), tiene una característica de corriente-voltaje no lineal y no óhmica que es similar a la de un diodo. Sin embargo, a diferencia de un diodo, tiene la misma característica para ambas direcciones de corriente transversal. Tradicionalmente, los varistores se construían conectando dos rectificadores, como el rectificador de óxido de cobre o de óxido de germanio en configuración antiparalela. A baja tensión, el varistor tiene una alta resistencia eléctrica que disminuye a medida que aumenta la tensión. Los varistores modernos se basan principalmente en materiales cerámicos de óxido de metal sinterizados que muestran un comportamiento direccional solo a escala microscópica. Este tipo se conoce comúnmente como varistor de óxido de metal (MOV).

Los varistores se utilizan como elementos de control o compensación en los circuitos, ya sea para proporcionar condiciones operativas óptimas o para proteger contra voltajes transitorios excesivos. Cuando se usan como dispositivos de protección, desvían la corriente creada por el voltaje excesivo lejos de los componentes sensibles cuando se activan.

El nombre varistor es un acrónimo de resistencia variable. El término solo se usa para resistencias variables no óhmicas. Las resistencias variables, como el potenciómetro y el reóstato, tienen características óhmicas.

Historia

El desarrollo del varistor, como un nuevo tipo de rectificador basado en una capa de óxido cuproso sobre cobre, tiene su origen en el trabajo de L.O. Grondahl y P. H. Geiger en 1927.

El varistor de óxido de cobre exhibió una resistencia variable según la polaridad y la magnitud del voltaje aplicado. Se construyó a partir de un pequeño disco de cobre, del cual se formó una capa de óxido cuproso en un lado. Esta disposición proporciona una baja resistencia a la corriente que fluye desde el óxido semiconductor al lado del cobre, pero una alta resistencia a la corriente en la dirección opuesta, con la resistencia instantánea variando continuamente con el voltaje aplicado.

En la década de 1930, los pequeños conjuntos de varistores múltiples de una dimensión máxima de menos de una pulgada y una vida útil aparentemente indefinida encontraron aplicación para reemplazar los voluminosos circuitos de tubos electrónicos como moduladores y demoduladores en sistemas de corriente portadora para transmisión telefónica.

Otras aplicaciones de los varistores en la planta telefónica incluían la protección de los circuitos contra picos de voltaje y ruido, así como la supresión de clics en los elementos del receptor (auricular) para proteger a los usuarios' oídos de ruidos de estallido al cambiar circuitos. Estos varistores se construyeron superponiendo un número par de discos rectificadores en una pila y conectando los extremos de los terminales y el centro en una configuración antiparalela, como se muestra en la foto de un varistor Western Electric Tipo 3B de junio de 1952 (abajo).

• 

  Western Electric 3B varistor made in 1952 for use as clickpresor in telephone sets

• 

  Circuito de la construcción tradicional de varisores utilizados como supresores de clics en la telefonía

• 

  Símbolo esquemático tradicional varistor, utilizado hoy para el diac. Expresa el comportamiento similar al diodo en ambas direcciones del flujo actual.

• 

  Western Electric Type 44A varistor for click suppression, mounted on a U1 telephone receiver element manufactured in 1958.

El aparato telefónico Western Electric tipo 500 de 1949 introdujo un circuito de ecualización de bucle dinámico que usaba varistores que desviaban niveles relativamente altos de corriente de bucle en bucles cortos de la oficina central para ajustar los niveles de señal de transmisión y recepción automáticamente. En bucles largos, los varistores mantuvieron una resistencia relativamente alta y no alteraron significativamente las señales.

R. O. Grisdale fabricó otro tipo de varistor con carburo de silicio a principios de la década de 1930. Se utilizó para proteger las líneas telefónicas de los rayos.

A principios de la década de 1970, investigadores japoneses reconocieron que las propiedades electrónicas semiconductoras del óxido de zinc (ZnO) eran útiles como un nuevo tipo de varistor en un proceso de sinterización de cerámica, que exhibía una función de tensión-corriente similar a la de un par de Diodos Zener contrapuestos. Este tipo de dispositivo se convirtió en el método preferido para proteger los circuitos de sobretensiones y otras perturbaciones eléctricas destructivas, y se conoció generalmente como varistor de óxido de metal (MOV). La orientación aleatoria de los granos de ZnO en la mayor parte de este material proporcionó las mismas características de voltaje-corriente para ambas direcciones del flujo de corriente.

Composición, propiedades y funcionamiento del varistor de óxido metálico

Corriente de Varistor vs voltaje para dispositivos de óxido de zinc (ZnO) y carburo de silicio (SiC)

El tipo de varistor moderno más común es el varistor de óxido metálico (MOV). Este tipo contiene una masa cerámica de granos de óxido de zinc (ZnO), en una matriz de otros óxidos metálicos, como pequeñas cantidades de óxidos de bismuto, cobalto y manganeso, intercalados entre dos placas metálicas, que constituyen los electrodos del dispositivo. El límite entre cada grano y un vecino forma una unión de diodos, lo que permite que la corriente fluya en una sola dirección. La acumulación de granos orientados al azar es eléctricamente equivalente a una red de pares de diodos adosados, cada par en paralelo con muchos otros pares.

Cuando se aplica un voltaje pequeño a través de los electrodos, solo fluye una pequeña corriente, causada por una fuga inversa a través de las uniones de los diodos. Cuando se aplica un gran voltaje, la unión del diodo se rompe debido a una combinación de emisión termoiónica y tunelización de electrones, lo que da como resultado un gran flujo de corriente. El resultado de este comportamiento es una característica corriente-voltaje no lineal, en la que el MOV tiene una alta resistencia a bajos voltajes y una baja resistencia a altos voltajes.

Características eléctricas

Un varistor sigue siendo no conductor como un dispositivo de modo de derivación durante el funcionamiento normal cuando el voltaje a través de él permanece muy por debajo de su "voltaje de sujeción", por lo que los varistores se usan normalmente para suprimir picos de voltaje de línea. Los varistores pueden fallar por cualquiera de dos razones.

Se produce una falla catastrófica por no limitar con éxito una sobretensión muy grande de un evento como un rayo, donde la energía involucrada es muchos órdenes de magnitud mayor que la que puede manejar el varistor. La corriente de seguimiento resultante de una descarga puede derretir, quemar o incluso vaporizar el varistor. Este desbocamiento térmico se debe a una falta de conformidad en las uniones de límite de grano individuales, lo que conduce a la falla de las rutas de corriente dominantes bajo estrés térmico cuando la energía en un pulso transitorio (normalmente medido en julios) es demasiado alta (es decir, excede significativamente la energía). 'Clasificaciones máximas absolutas' del fabricante). La probabilidad de falla catastrófica se puede reducir aumentando la clasificación o utilizando MOV especialmente seleccionados en paralelo.

La degradación acumulativa ocurre a medida que ocurren más sobretensiones. Por razones históricas, muchos MOV se han especificado incorrectamente, lo que permite que los aumentos frecuentes también degraden la capacidad. En esta condición, el varistor no está visiblemente dañado y exteriormente parece funcional (sin falla catastrófica), pero ya no ofrece protección. Eventualmente, pasa a una condición de cortocircuito a medida que las descargas de energía crean un canal conductor a través de los óxidos.

El parámetro principal que afecta la expectativa de vida útil del varistor es su clasificación de energía (julios). El aumento de la clasificación de energía aumenta el número de pulsos transitorios (tamaño máximo definido) que puede acomodar exponencialmente, así como la suma acumulada de energía de la sujeción de pulsos menores. A medida que se producen estos pulsos, el "voltaje de fijación" proporciona durante cada evento disminuye, y normalmente se considera que un varistor está funcionalmente degradado cuando su "voltaje de sujeción" ha cambiado en un 10%. Los gráficos de esperanza de vida del fabricante relacionan la corriente, la gravedad y la cantidad de transitorios para hacer predicciones de fallas basadas en la energía total disipada durante la vida útil de la pieza.

En la electrónica de consumo, particularmente en los protectores contra sobretensiones, el tamaño del varistor MOV empleado es lo suficientemente pequeño como para que eventualmente se espere una falla. Otras aplicaciones, como la transmisión de energía, utilizan VDR de diferente construcción en múltiples configuraciones diseñadas para una larga vida útil.

Clasificación de voltaje

Varistor de alta tensión

Los MOV se especifican según el rango de voltaje que pueden tolerar sin sufrir daños. Otros parámetros importantes son la calificación energética del varistor en julios, el voltaje de funcionamiento, el tiempo de respuesta, la corriente máxima y el voltaje de ruptura (sujeción). La calificación energética a menudo se define utilizando transitorios estandarizados, como 8/20 microsegundos o 10/1000 microsegundos, donde 8 microsegundos es el tiempo inicial del transitorio y 20 microsegundos es el tiempo hasta la mitad del valor.

Capacidad

La capacitancia típica de los varistores de tamaño de consumidor (de 7 a 20 mm de diámetro) está en el rango de 100 a 2500 pF. Los varistores más pequeños y de menor capacitancia están disponibles con una capacitancia de ~1 pF para la protección microelectrónica, como en los teléfonos celulares. Sin embargo, estos varistores de baja capacitancia no pueden soportar grandes picos de corriente simplemente debido a su tamaño compacto de montaje en placa de circuito impreso.

Tiempo de respuesta

El tiempo de respuesta del MOV no está estandarizado. La afirmación de la respuesta MOV de sub-nanosegundos se basa en el tiempo de respuesta intrínseco del material, pero se ralentizará por otros factores, como la inductancia de los cables de los componentes y el método de montaje. Ese tiempo de respuesta también se califica como insignificante en comparación con un transitorio que tiene un tiempo de subida de 8 µs, lo que permite que el dispositivo tenga suficiente tiempo para encenderse lentamente. Cuando se somete a un transitorio de tiempo de subida muy rápido de <1 ns, los tiempos de respuesta para el MOV están en el rango de 40 a 60 ns.

Aplicaciones

Montaje de enchufe con circuito protector de cirugía

Para proteger las líneas de telecomunicaciones, se utilizan dispositivos de supresión de transitorios como bloques de carbono de 3 mil (IEEE C62.32), varistores de capacitancia ultrabaja y diodos de avalancha. Para frecuencias más altas, como equipos de comunicación por radio, se puede utilizar un tubo de descarga de gas (GDT). Una regleta típica de protección contra sobretensiones se construye utilizando MOV. Las versiones de bajo costo pueden usar solo un varistor, desde el conductor vivo (vivo, activo) hasta el conductor neutro. Un mejor protector contiene al menos tres varistores; uno a través de cada uno de los tres pares de conductores. En los Estados Unidos, un protector de tomas múltiples debe tener una aprobación de la tercera edición de Underwriters Laboratories (UL) 1449 para que la falla catastrófica del MOV no cree un peligro de incendio.

Peligros

Si bien un MOV está diseñado para conducir una potencia significativa durante períodos muy breves (alrededor de 8 a 20 microsegundos), como los causados por rayos, normalmente no tiene la capacidad de conducir energía sostenida. En condiciones normales de voltaje de la red pública, esto no es un problema. Sin embargo, ciertos tipos de fallas en la red eléctrica de servicios públicos pueden resultar en condiciones de sobrevoltaje sostenido. Los ejemplos incluyen la pérdida de un conductor neutro o líneas en cortocircuito en el sistema de alto voltaje. La aplicación de una sobretensión sostenida a un MOV puede provocar una gran disipación, lo que puede provocar que el dispositivo MOV se incendie. La Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA) ha documentado muchos casos de incendios catastróficos causados por dispositivos MOV en supresores de sobretensiones y ha emitido boletines sobre el tema.

A 130 volt, 150 J MOV que ha sufrido un fracaso catastrófico, aparentemente como resultado de una huelga de relámpago, mostrando evidencia de calor y humo. El fusible rápido de 3 amperios inmediatamente delante del varistor soplado durante el mismo evento.

Un fusible térmico conectado en serie es una solución para fallas catastróficas de MOV. También hay disponibles varistores con protección térmica interna.

Hay varios problemas que deben tenerse en cuenta con respecto al comportamiento de los supresores de picos de voltaje transitorio (TVSS) que incorporan MOV en condiciones de sobrevoltaje. Dependiendo del nivel de corriente conducida, el calor disipado puede ser insuficiente para causar una falla, pero puede degradar el dispositivo MOV y reducir su expectativa de vida. Si un MOV conduce una corriente excesiva, puede fallar catastróficamente a una condición de circuito abierto, manteniendo la carga conectada pero ahora sin ninguna protección contra sobretensiones. Es posible que un usuario no tenga ninguna indicación de que el supresor de picos ha fallado.

Bajo las condiciones adecuadas de sobrevoltaje e impedancia de línea, es posible que el MOV estalle en llamas, la causa raíz de muchos incendios, que es la razón principal de la preocupación de NFPA que resulta en UL1449 en 1986 y revisiones posteriores en 1998 y 2009. Los dispositivos TVSS correctamente diseñados no deben fallar catastróficamente, sino que deben provocar la apertura de un fusible térmico o algo equivalente que solo desconecte los dispositivos MOV.

Limitaciones

Un MOV dentro de un supresor de picos de voltaje transitorio (TVSS) no proporciona una protección completa para los equipos eléctricos. En particular, no brinda protección contra sobretensiones sostenidas que pueden resultar en daños a ese equipo así como al dispositivo protector. Otras sobretensiones sostenidas y dañinas pueden ser más bajas y, por lo tanto, ignoradas por un dispositivo MOV.

Un varistor no proporciona protección al equipo contra picos de corriente de irrupción (durante el arranque del equipo), sobrecorriente (creada por un cortocircuito) o caídas de tensión (caídas de tensión); ni siente ni afecta tales eventos. La susceptibilidad de los equipos electrónicos a estas otras perturbaciones de energía eléctrica se define por otros aspectos del diseño del sistema, ya sea dentro del propio equipo o externamente por medios tales como un UPS, un regulador de voltaje o un protector contra sobretensiones con protección contra sobrevoltaje incorporada (que generalmente consiste en un circuito de detección de voltaje y un relé para desconectar la entrada de CA cuando el voltaje alcanza un umbral de peligro).

Comparación con otros supresores de transitorios

Otro método para suprimir picos de voltaje es el diodo de supresión de voltaje transitorio (TVS). Aunque los diodos no tienen tanta capacidad para conducir grandes sobretensiones como los MOV, los diodos no se degradan con sobretensiones más pequeñas y se pueden implementar con un 'voltaje de sujeción' más bajo. Los MOV se degradan debido a la exposición repetida a sobretensiones y, en general, tienen un "voltaje de sujeción" para que la fuga no degrade el MOV. Ambos tipos están disponibles en una amplia gama de voltajes. Los MOV tienden a ser más adecuados para voltajes más altos, porque pueden conducir las energías asociadas más altas a un costo menor.

Otro tipo de supresor de transitorios es el supresor de tubo de gas. Este es un tipo de vía de chispas que puede usar aire o una mezcla de gas inerte y, a menudo, una pequeña cantidad de material radiactivo como Ni-63, para proporcionar un voltaje de ruptura más consistente y reducir el tiempo de respuesta. Desafortunadamente, estos dispositivos pueden tener voltajes de ruptura más altos y tiempos de respuesta más largos que los varistores. Sin embargo, pueden manejar corrientes de falla significativamente más altas y soportar múltiples impactos de alto voltaje (por ejemplo, de un rayo) sin una degradación significativa.

Varistor multicapa

varistor multicapa (MLV) brindan protección contra descargas electrostáticas a circuitos electrónicos de transitorios de energía baja a media en equipos sensibles que funcionan a 0-120 voltios CC. Tienen clasificaciones de corriente pico de alrededor de 20 a 500 amperios y clasificaciones de energía pico de 0,05 a 2,5 julios.