Varistores: principio de funcionamiento, tipos y aplicación.
Un varistor es un componente semiconductor que puede cambiar su resistencia activa de forma no lineal dependiendo de la magnitud del voltaje que se le aplica. De hecho, es una resistencia con tal característica de corriente-voltaje, cuya sección lineal está limitada a un rango estrecho, al que llega la resistencia del varistor cuando se le aplica un voltaje por encima de un cierto umbral.
En este punto, la resistencia del elemento cambia bruscamente en varios órdenes de magnitud: disminuye de las decenas iniciales de MΩ a las unidades de Ohm. Y cuanto más aumenta el voltaje aplicado, más y más pequeña se vuelve la resistencia del varistor. Esta propiedad convierte al varistor en un elemento básico de los dispositivos modernos de protección contra sobretensiones.
Conectado en paralelo con la carga protegida, el varistor absorbe la corriente perturbadora y la disipa en forma de calor. Y al final de este evento, cuando el voltaje aplicado disminuye y vuelve por encima del umbral, el varistor restaura su resistencia inicial y está nuevamente listo para realizar una función protectora.
Podemos decir que el varistor es un análogo semiconductor de una chispa de gas, solo que en un varistor, a diferencia de una chispa de gas, la alta resistencia inicial se restablece más rápido, prácticamente no hay inercia y el rango de voltajes nominales comienza desde 6 y llega a 1000 y más voltios.
Por esta razón, los varistores se utilizan mucho en los circuitos de protección. interruptores semiconductores, en circuitos con elementos inductivos (para extinción de chispas), así como elementos independientes de protección electrostática de los circuitos de entrada de dispositivos electrónicos.
El proceso de fabricación de un varistor consiste en sinterizar un semiconductor en polvo con un aglutinante a una temperatura de unos 1700 °C. Aquí se utilizan semiconductores como el óxido de zinc o el carburo de silicio. El aglutinante puede ser vaso de agua, arcilla, barniz o resina. Sobre el elemento en forma de disco obtenido por sinterización, se aplican electrodos por metalización a los que se sueldan los hilos de montaje del componente.
Además de la forma de disco tradicional, los varistores se pueden encontrar en forma de varillas, perlas y películas. Los varistores ajustables se fabrican en forma de varillas con un contacto móvil. Materiales semiconductores tradicionales utilizados en la fabricación de varistores a base de carburo de silicio con diferentes enlaces: tirita, willita, letina, silita.
El principio interno de funcionamiento del varistor es que los bordes de pequeños cristales semiconductores dentro de la masa de unión están en contacto entre sí, formando circuitos conductores. Cuando por ellos pasa una corriente de cierta magnitud, se produce un sobrecalentamiento local de los cristales y disminuye la resistencia de los circuitos. Este fenómeno explica la no linealidad CVC del varistor.
Uno de los principales parámetros del varistor, junto con el voltaje de respuesta rms, es el coeficiente de no linealidad, que indica la relación entre la resistencia estática y la resistencia dinámica. Para varistores a base de óxido de zinc, este parámetro varía de 20 a 100. En cuanto al coeficiente de temperatura de resistencia del varistor (TCR), suele ser negativo.
Los varistores son compactos, fiables y funcionan bien en una amplia gama de temperaturas de funcionamiento En las placas de circuito impreso y en los SPD puede encontrar varistores de disco pequeño con un diámetro de 5 a 20 mm. Para disipar potencias superiores, se utilizan varistores de bloque con dimensiones totales de 50, 120 y más milímetros, capaces de disipar kilojulios de energía en un pulso y pasar corrientes de decenas de miles de amperios a través de ellos, sin perder eficiencia.
Uno de los parámetros más importantes de cualquier varistor es el tiempo de respuesta. Aunque el tiempo de activación típico de un varistor no supera los 25 ns, y en algunos circuitos esto es suficiente, en algunos lugares, por ejemplo, para la protección contra la electrostática, se requiere una respuesta más rápida, no más de 1 ns.
En relación con esta necesidad, los principales fabricantes mundiales de varistores dirigen sus esfuerzos para aumentar su rendimiento. Una forma de lograr este objetivo es reducir la longitud (respectivamente, la inductancia) de los terminales de los componentes multicapa. Dichos varistores CN ya han ocupado un lugar digno en la protección contra la salida estática de los circuitos integrados.
La tensión nominal del varistor de CC (1 mA) es un parámetro condicional; a esta tensión, la corriente a través del varistor no supera 1 mA.La tensión nominal se indica en la marca del varistor.
ACrms es la respuesta de voltaje de CA rms del varistor. CC: activación de voltaje de CC.
Además, el voltaje máximo permitido a una corriente dada está estandarizado, por ejemplo V @ 10A. W es la disipación de potencia nominal del componente. J es la energía máxima de un solo pulso absorbido, que determina el tiempo durante el cual el varistor podrá disipar la potencia nominal manteniéndose en buen estado. Ipp: la corriente máxima del varistor, normalizada por el tiempo de subida y la duración del pulso absorbido, cuanto más largo sea el pulso, menor será la corriente máxima permitida (medida en kiloamperios).
Para lograr una mayor disipación de potencia, se permite la conexión de varistores en paralelo y en serie. Cuando se conecta en paralelo, es importante elegir varistores lo más cerca posible de los parámetros.