Ogni dispositivo elettronico incluso nella rete necessita di protezione contro il superamento dei valori di soglia di corrente o tensione. Per la protezione della corrente vengono utilizzati vari fusibili e interruttori automatici, ma i varistori vengono spesso utilizzati per proteggere il dispositivo dalla sovratensione. In questo articolo considereremo il principio di funzionamento del varistore, le sue caratteristiche, vantaggi e svantaggi di questo componente elettronico.
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Cos'è un varistore e dove viene utilizzato
Varistore - Si tratta di un resistore variabile realizzato in materiale semiconduttore, che è in grado di modificare la propria resistenza elettrica a seconda della tensione ad esso applicata.
Il principio di funzionamento di un tale componente elettronico differisce da un resistore e un potenziometro convenzionali. Standard resistore ha un valore di resistenza costante in qualsiasi momento, indipendentemente dalla tensione nel circuito, il potenziometro consente di modificare la resistenza manualmente ruotando la manopola di controllo. Ma il varistore ha una caratteristica corrente-tensione simmetrica non lineare e la sua resistenza dipende interamente dalla tensione nel circuito.
Grazie a questa proprietà, i varistori sono ampiamente ed efficacemente utilizzati per proteggere reti elettriche, macchine e apparecchiature, nonché componenti elettronici, schede e microcircuiti, indipendentemente dal tipo di tensione. Hanno un basso costo di produzione, sono affidabili nell'uso e sono in grado di sopportare carichi elevati.
I varistori sono utilizzati sia in installazioni ad alta tensione fino a 20 kV che in installazioni a bassa tensione da 3 a 200 V come limitatore di tensione. Allo stesso tempo possono funzionare sia in reti in corrente alternata che in corrente continua. Sono utilizzati per regolare e stabilizzare la corrente e la tensione, nonché nei dispositivi di protezione contro le sovratensioni. Utilizzato nella progettazione di filtri di rete, alimentatori, telefoni cellulari, SPD e altre SPE.
Tipi e principio di funzionamento
Quando funziona in condizioni normali, il varistore ha un'enorme resistenza, che può diminuire quando la tensione supera un valore di soglia. Cioè, se la tensione nel circuito aumenta in modo significativo, il varistore passa da uno stato isolante a uno stato elettricamente conduttivo e, a causa dell'effetto valanga nel semiconduttore, stabilizza la tensione facendo passare una grande corrente attraverso se stesso.
I varistori possono funzionare ad alta e bassa tensione e, di conseguenza, sono divisi in due gruppi di dispositivi che hanno lo stesso principio di funzionamento:
- Alta tensione: in grado di funzionare in circuiti con valori di corrente fino a 20 kV (utilizzati nei sistemi di protezione di reti e apparecchiature, nei dispositivi di protezione contro le sovratensioni).
- Bassa tensione: la tensione nominale per questo tipo di componenti varia da 3 a 200 V (usata per proteggere dispositivi elettronici e componenti di apparecchiature con una corrente di 0,1 - 1 A e sono installati all'ingresso o all'uscita del generatore).
Tempo di risposta del varistore a fonte d'energia è di circa 25 ns, che è un valore eccellente, ma in alcuni casi insufficiente. Pertanto, i produttori di componenti elettronici hanno sviluppato una tecnologia per la produzione di un resistore smd, che ha un tempo di risposta di 0,5 ns.
Varistori di tutti i tipi sono realizzati in carburo di silicio o ossido di zinco sinterizzando questo materiale con un legante (resina, argilla, vetro) ad alta temperatura. Dopo aver ricevuto un elemento semiconduttore, viene metallizzato su entrambi i lati con fili di saldatura per il collegamento.
Marcatura, principali caratteristiche e parametri
Ogni produttore di varistori etichetta il proprio prodotto in un certo modo, quindi esiste un numero abbastanza elevato di opzioni di designazione e relative interpretazioni. Il varistore russo più comune è K275 e i componenti popolari di fabbricazione straniera sono 7n471k, kl472m e altri.
La designazione del varistore CNR-10d751k può essere decifrata come segue: CNR – varistore in ossido di metallo; d - significa che il componente ha la forma di un disco; 10 è il diametro del disco; 751 – tensione di risposta per questo dispositivo (il calcolo avviene moltiplicando le prime due cifre per 10 alla potenza pari alla terza cifra, cioè 75 per 10 al primo grado, otteniamo 750 V); K - deviazione consentita della tensione nominale, che è del 10% in qualsiasi direzione (l - 15%, M - 20%, P - 25%).
Le caratteristiche principali dei varistori sono i seguenti parametri:
Tensione di classificazione - tensione a determinati valori di corrente che scorre attraverso il varistore (in genere questo valore è 1 mA). Questa impostazione è condizionale e non influisce sulla selezione del dispositivo;
Tensione massima consentita – campo di tensione (RMS o RMS), a cui il varistore inizia ad abbassare la sua resistenza;
Massima energia di assorbimento - una caratteristica che mostra il valore dell'energia che il varistore dissipa e non si guasta se esposto ad un solo impulso (misurato in joule);
Massima corrente di picco – normalizza il tempo di salita e la durata dell'impulso di corrente (misurato in ampere);
Capacità è un parametro molto importante, che si misura con lo stato chiuso e una data frequenza (scende a zero se viene applicata una corrente elevata al varistore);
Tolleranza - deviazione dalla differenza di potenziale nominale in entrambe le direzioni (indicato in percentuale).
Tempo di risposta - l'intervallo di tempo durante il quale il varistore passa dallo stato chiuso allo stato aperto (di solito poche decine di nanosecondi).
Vantaggi e svantaggi dei varistori
Un importante vantaggio di un resistore non lineare (varistore) è il suo funzionamento stabile e affidabile ad alte frequenze e carichi pesanti. Viene utilizzato in molti dispositivi che funzionano con tensioni da 3 V a 20 kV, è relativamente semplice ed economico da produrre ed efficiente nel funzionamento. Ulteriori importanti vantaggi sono:
- alta velocità di risposta (nanosecondi);
- lunga durata;
- la capacità di monitorare le cadute di tensione (metodo senza inerzia).
Nonostante il fatto che questo componente elettronico abbia molti vantaggi, presenta anche degli svantaggi che ne influenzano l'uso in vari sistemi. Questi includono:
- rumore a bassa frequenza durante il funzionamento;
- invecchiamento dei componenti (perdita di parametri nel tempo);
- grande capacità: dipende dalla tensione e dal tipo di elemento, è compresa tra 70 e 3200 pF e influisce sulle prestazioni del dispositivo;
- ai valori di tensione massimi, la potenza non viene dissipata: si surriscalda in modo significativo e si guasta ai valori di tensione massima a lungo termine.
Selezione varistore
Per scegliere il varistore giusto per un particolare dispositivo, è necessario conoscere le caratteristiche della sua fonte di alimentazione: resistenza e potenza degli impulsi transitori. Il valore di corrente massimo consentito è determinato, tra l'altro, dalla durata della sua esposizione e dal numero di ripetizioni, pertanto, quando si installa un varistore con un valore di corrente di picco sottostimato, si guasterà rapidamente.Insomma, per una protezione efficace del dispositivo, è necessario scegliere un varistore con una tensione che abbia un piccolo margine rispetto al nominale.
Inoltre, per il funzionamento senza problemi di un tale componente elettronico, sono molto importanti la velocità di dissipazione dell'energia termica assorbita e la capacità di tornare rapidamente allo stato di normale funzionamento.
Designazione sullo schema e opzioni per il collegamento del varistore
Sul schemi solitamente varistore indicato, proprio come un normale resistore, ma con una U aggiunta accanto alla barra. Questa caratteristica indica nei diagrammi che questo elemento ha una dipendenza dalla resistenza dalla tensione nel circuito. Anche acceso schema elettrico questo elemento è contrassegnato da due lettere R e U con l'aggiunta di un numero di serie (RU1, RU2 ... ecc.).
Esistono numerose opzioni per il collegamento di varistori, ma la cosa comune a tutti i metodi è che questo componente è collegato in parallelo al circuito di alimentazione. Pertanto, in assenza di valori pericolosi di impulsi di tensione, la corrente che scorre attraverso il varistore ha un valore piccolo (dovuto a valori di resistenza elevati) e non pregiudica in alcun modo le prestazioni del sistema. Quando si verifica una sovratensione, il varistore cambia la resistenza a piccoli valori, il carico viene deviato e l'energia assorbita viene dissipata nello spazio circostante.
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