Varistori


Varistori on komponentti jonka resistanssi muuttuu sen yli olevan jännitteen funktiona epälineaarisesti. Nimi tulee sanoista Variable resistor, eli muuttuva vastus. Jännitteen kasvaessa komponentin yli tarpeeksi, sen resistanssi putoaa nopeasti, jolloin kytkennässä siitä tulee lähes oikosulku. Varistoria käytetään yleisesti suojaamaan kytkentöjä jännitepiikeiltä, joita voi aiheutua esimerkiksi salamaniskusta tai tehonsyötön huonosta toiminnasta. Usein kytkennässä on mukana myös sulake jännitepiikkejä suojaamaan pidemmiltä ylijännitteiltä, jotka saattavat rikkoa varistorin.

Varistorikytkenta.jpg
Kuva 1. Esimerkki yleisestä varistorikytkennästä, jossa mukana myös sulake varistorin hajoamisen varalta


Rakenne ja toiminta

Yleisin varistorityyppi on MetalliOksidiVaristori eli lyhyemmin MOV. Siinä on kahden metallilevyn eli elektrodien välissä sinkkioksidikiteitä, jotka muodostavat puolijohdeliitoksia keskenään. Pienillä jännitteillä varistorin läpi kulkee siis vain pieniä vuotovirtoja, mutta jännitteen kasvaessa tapahtuu läpilyöntimäinen resistanssin putoaminen ja virrankasvu. Tämä tapahtuu sekä positiivisella että negatiivisella jännitteellä. Samalla varistori absorboi läpikulkevaa energiaa ja lämpenee.[1] [2]

Varistorinominaiskäyrä.jpg
Kuva 2. Varistorin ominaiskäyrä


Sähköiset ominaisuudet

Varistorin sähköisiin ominaisuuksiin vaikuttaa pääasiassa sen fyysiset mitat johtuen juurikin puolijohdeliitoksista sen sisällä. Rakenteen voidaan ajatella olevan rakentunut useista sarjaan- ja rinnankytketyistä P-N liitoksista, joten energian absorbointikyky määräytyy varistorin tilavuuden mukaan ja jännitteenkesto paksuuden mukaan. Virrankesto määrittyy sen pinta-alan mukaan, joka on kohtisuoraan virran kulkusuuntaa vastaan. Myös hiukkasten koko ja levinneisyyden tasaisuus elektrodien välille vaikuttavat näihin kaikkiin sähköisiin ominaisuuksiin.

Vaikka varistoreilla suojataan piirejä jännitepiikeiltä ja ne kestävät piikkeinä melko suuria tehomääriä, varistorit eivät kuitenkaan kestä juuri yhtään hetkellistä ylijännitettä, koska se kuumentaa komponenttia niin paljon. Jäähdytyksen kanssa ylijännitteenkesto muuttuu hieman paremmaksi, mutta jatkuva ylijännite lopulta tuhoaa varistorin ja saattaa jopa sytyttää sen palamaan. Tämän takia varistorien kanssa piiriin kytketään yleensä myös sulake, joka estää varistorin hajotessa ylijännitteen pääsyn muualle piiriin. Jokainen jännitepiikki ja läpilyönti kuluttaa varistoria, jolloin hiljalleen komponentin ominaisuudet huononevat ja erityisesti läpilyöntijännite muuttuu. Ulkoisesti kulumista ei kuitenkaan näy.[3] [4]

Fysikaalinen teoria

Varistorin käyttäytymistä sähköisesti voi kuvata yhtälöllä:
J= K*E^a
Yhtälössä J on varistorin virtatiheys, E on sähkökenttä. K on varistorin mikrorakenteeseen liittyvä vakio ja a on epälineaarisuuskerroin, a>1.
Epälineaarisuuskertoimeen ja vakioon K voidaan vaikuttaa varistorin elektrodien välissä olevan aineen kemiallisella koostumuksella ja erilaisilla aineyhdisteillä. Erilaisia oksidiyhdisteitä käytetään erityisesti aikaansaamaan suuria läpilyöntijännitteitä ja mahdollisimman vähäisiä vuotovirtoja. [5] [6] [7]



Esimerkki: Varistori 14D431K

varistori_1.jpg
Kuva 3. Varistori


varistori.jpg
Kuva 4. Varistorin rakenne


Kuvassa 3 varistorin rakenne on selkeästi esillä. Nuoli numero1 näyttää varistorin metallisia levyjä, joiden välissä on sinkkioksidia. Sinkkioksidi näkyy kuvassa sinisen kotelon sisällä selkeästi tummempana ja se on metallina. Nuoli numero 3 osoittaa tähän. Johtimet varistoriin tulevat kahdesta kohdasta, nuolet 2 ja 4 osoittavat ne. Johtimet ulottuvat lähes koko varistorin pyöreän osan halki. Pieni kohouma nuolien numerot 1 ja 2 välissä tai kuvassa 2 johtuu juurikin toisesta johtimesta.

Varistorin datalehdestä tiedot taulukoituna:[8]

Varistorin jännite

Suurin sallittu jännite

Suurin jännite (8/20 μS)

Energia

Suurin Virtapiikki (8/20 μS)

Rated Power
Tyypillinen kapasitanssi
v@1mA (v)

ACrms (v)
DC (v)
V@50A (v)
Ip
(A)
10/1000 (μS) (J)
2ms (J)
1 kerta (A)
2 kerta (A)
(w)
1kHz (pF)
430
387-473
275
350
710
50
155.0
110.0
6000
5000
0.60
650

Varistori75V.png
Kuva 5. Varistori, jolla on 75V RMS jännitteen kesto

  1. ^ http://en.wikipedia.org/wiki/Varistor (viitattu 26.1.2010)
  2. ^ http://www.onsemi.com/PowerSolutions/content.do?id=16016
  3. ^ http://www.efrobertsassoc.com/movs.htm (Viitattu 26.1.2010)
  4. ^ http://www.cmdmc.com.br/redecmdmc/lab/arquivos_publicacoes/550_Investigation%20of%20the%20electrical%20properties%20of%20SnO2%20varistor%20system.pdf (Viitattu 3.2.2010)
  5. ^ http://www.cmdmc.com.br/redecmdmc/lab/arquivos_publicacoes/558_Microstructure%20and%20electric%20properties%20of%20a%20SnO2%20based%20varistor.pdf (Viitattu 3.2.2010)
  6. ^ http://www.cmdmc.com.br/redecmdmc/lab/arquivos_publicacoes/550_Investigation%20of%20the%20electrical%20properties%20of%20SnO2%20varistor%20system.pdf (Viitattu 3.2.2010)
  7. ^ http://renaud.metz.free.fr/publicationssite/trueBi.pdf
  8. ^ http://www.datasheetcatalog.org/datasheets2/76/76739_1.pdf (Viitattu 3.2.2010)