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Varistor de óxido metálico fabricado por Siemens & Halske AG.
Símbolo esquemático varistor moderno.

Un varistor es un componente electrónico con una resistencia eléctrica que varía con el voltaje aplicado. [1] También conocida como resistencia dependiente de voltaje (VDR), tiene una característica de voltaje-corriente no óhmica no lineal que es similar a la de un diodo . Sin embargo, a diferencia de un diodo, tiene la misma característica para ambas direcciones de la corriente transversal. Tradicionalmente, los varistores se construían conectando dos rectificadores, como el rectificador de óxido de cobre o de óxido de germanio en antiparalelo. configuración. 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 sinterizados de óxido metálico que presentan un comportamiento direccional solo a escala microscópica. Este tipo se conoce comúnmente como varistor de óxido metálico ( MOV ).

Los varistores se utilizan como elementos de control o compensación en circuitos, ya sea para proporcionar condiciones de funcionamiento óptimas o para proteger contra voltajes transitorios excesivos . Cuando se utilizan 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 [ editar ]

El desarrollo del varistor, en forma de un nuevo tipo de rectificador basado en una capa de óxido cuproso sobre cobre, se originó en el trabajo de LO Grondahl y PH Geiger en 1927. [2]

El varistor de óxido de cobre exhibió una resistencia variable dependiendo de la polaridad y la magnitud del voltaje aplicado. [3] Se construyó a partir de un pequeño disco de cobre, del cual un lado estaba formado por una capa de óxido cuproso. Esta disposición proporciona una baja resistencia a la corriente que fluye desde el óxido semiconductor al lado de 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, pequeños conjuntos de varistores múltiples de una dimensión máxima de menos de una pulgada y una vida útil aparentemente indefinida encontraron aplicación en la sustitución de circuitos de tubos de electrones voluminosos como moduladores y demoduladores en sistemas de corriente portadora para transmisión telefónica. [3]

Otras aplicaciones de los varistores en la planta telefónica incluyeron la protección de circuitos contra picos de voltaje y ruido, así como la supresión de clics en los elementos del receptor ( auricular ) para proteger los oídos de los usuarios de ruidos al cambiar de circuito. Estos varistores se construyeron colocando 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).

  • Varistor Western Electric 3B fabricado en 1952 para uso como supresor de clic en aparatos telefónicos

  • Circuito de la construcción tradicional de varistores utilizados como supresores de clic en telefonía [4]

  • Símbolo esquemático de varistor tradicional, [5] utilizado hoy para el diac . Expresa el comportamiento similar a un diodo en ambas direcciones del flujo de corriente.

  • Varistor Western Electric Tipo 44A fabricado en 1958, montado en un elemento receptor telefónico U1 para supresión de clics.

El aparato telefónico Western Electric tipo 500 de 1949 introdujo un circuito de ecualización de bucle dinámico que utiliza varistores que desvían niveles relativamente altos de corriente de bucle en bucles cortos de la oficina central para ajustar automáticamente los niveles de señal de transmisión y recepción. En bucles largos, los varistores mantuvieron una resistencia relativamente alta y no alteraron las señales de manera significativa. [6]

Otro tipo de varistor fue fabricado con carburo de silicio por RO Grisdale a principios de la década de 1930. Se utilizó para proteger las líneas telefónicas de los rayos. [7]

A principios de la década de 1970, los 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 voltaje-corriente similar a la de un par de diodos Zener de vuelta . [8] [9] Este tipo de dispositivo se convirtió en el método preferido para proteger circuitos de sobretensiones y otras perturbaciones eléctricas destructivas, y se conoció generalmente como varistor de óxido de metal (MOV). La aleatoriedad de la orientación 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 [ editar ]

Corriente de varistor frente a voltaje para dispositivos de óxido de zinc (ZnO) y carburo de silicio (SiC)

El tipo moderno de varistor más común es el varistor de óxido metálico (MOV). Este tipo contiene una masa cerámica de granos de óxido de zinc , en una matriz de otros óxidos metálicos, como pequeñas cantidades de bismuto, cobalto, óxidos de 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 , 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 consecutivos, cada par en paralelo con muchos otros pares. [10]

Cuando se aplica un pequeño voltaje a través de los electrodos, solo fluye una pequeña corriente, causada por una fuga inversa a través de las uniones de diodos. Cuando se aplica un voltaje grande, la unión del diodo se rompe debido a una combinación de emisión termoiónica y tunelización de electrones , lo que resulta en 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 [ editar ]

Un varistor permanece no conductor como un dispositivo en 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 típicamente para suprimir los picos de voltaje de la línea. Los varistores pueden fallar por dos razones.

Una falla catastrófica ocurre 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 un golpe puede derretir, quemar o incluso vaporizar el varistor. Esta fuga térmica se debe a una falta de conformidad en las uniones de los límites 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 alto (es decir, excede significativamente las "calificaciones máximas absolutas" del fabricante). La probabilidad de una falla catastrófica se puede reducir aumentando la calificación o utilizando MOV especialmente seleccionados en paralelo. [11]

La degradación acumulativa ocurre a medida que ocurren más sobretensiones. Por razones históricas, muchos MOV se han especificado incorrectamente, lo que permite que los oleajes frecuentes también degraden la capacidad. [12] En esta condición, el varistor no está visiblemente dañado y aparentemente funciona (sin falla catastrófica), pero ya no ofrece protección. [13] Finalmente, pasa a una condición de circuito en corto a medida que las descargas de energía crean un canal conductor a través de los óxidos.

El principal parámetro que afecta la esperanza de vida del varistor es su clasificación de energía (Joule). Aumentar la clasificación energética 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, la "tensión de sujeción" que proporciona durante cada evento disminuye y, por lo general, se considera que un varistor está funcionalmente degradado cuando su "tensión de sujeción" ha cambiado en un 10%. Las tablas de esperanza de vida del fabricante relacionan la corriente , la gravedad y la cantidad de transitorios para realizar 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 de sobretensión , el tamaño del varistor MOV empleado es lo suficientemente pequeño como para que eventualmente se espere una falla. [14] Otras aplicaciones, como la transmisión de potencia, utilizan VDR de diferente construcción en múltiples configuraciones diseñadas para una vida útil prolongada. [15]

Varistor de alto voltaje

Voltaje nominal [ editar ]

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

Capacitancia [ editar ]

La capacitancia típica para varistores de tamaño de consumidor (7–20 mm de diámetro) está en el rango de 100–2,500 pF. Los varistores más pequeños y de menor capacitancia están disponibles con capacitancia de ~ 1 pF para protección microelectrónica, como en teléfonos celulares. Sin embargo, estos varistores de baja capacitancia no pueden soportar grandes sobrecorrientes simplemente debido a su tamaño compacto de montaje en PCB.

Tiempo de respuesta [ editar ]

El tiempo de respuesta del MOV no está estandarizado. La afirmación de respuesta MOV de subnanosegundos se basa en el tiempo de respuesta intrínseco del material, pero se verá ralentizado por otros factores, como la inductancia de los cables de los componentes y el método de montaje. [16] 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 un tiempo suficiente para que el dispositivo se encienda lentamente. Cuando se somete a un transitorio de tiempo de subida muy rápido, <1 ns, los tiempos de respuesta para el MOV están en el rango de 40-60 ns. [17]

Aplicaciones [ editar ]

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). [ cita requerida ] Una regleta de protección contra sobretensiones típica 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 protector mejor contiene al menos tres varistores; uno a través de cada uno de los tres pares de conductores. [ cita requerida ]En los Estados Unidos, un protector de regleta de enchufes debe tener una aprobación de Underwriters Laboratories (UL) 1449 3.ª edición para que una falla catastrófica de MOV no cree un peligro de incendio. [18] [19]

Conjunto de enchufe con circuito protector contra sobretensiones

Peligros [ editar ]

Si bien un MOV está diseñado para conducir una potencia significativa durante períodos muy cortos (alrededor de 8 a 20 microsegundos), como la causada por los rayos, generalmente 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 del servicio público pueden resultar en condiciones de sobretensión sostenidas. Los ejemplos incluyen una 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 alta disipación, lo que podría 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 sobretensión y ha publicado boletines sobre el tema. [20]

Un MOV de 130 voltios y 150 J que ha sufrido una falla catastrófica, aparentemente como resultado de un rayo, que muestra evidencia de calor y humo. El fusible de acción rápida de 3 amperios inmediatamente delante del varistor explotó durante el mismo evento.

Un fusible térmico conectado en serie es una solución para una falla catastrófica del MOV. También se encuentran disponibles varistores con protección térmica interna.

Hay varias cuestiones que deben tenerse en cuenta con respecto al comportamiento de los supresores de sobretensión transitoria (TVSS) que incorporan MOV en condiciones de sobretensión. Dependiendo del nivel de corriente conducida, el calor disipado puede ser insuficiente para causar fallas, pero puede degradar el dispositivo MOV y reducir su vida útil. Si un MOV conduce una corriente excesiva, puede fallar catastróficamente, manteniendo la carga conectada, pero ahora sin ninguna protección contra sobretensiones. Un usuario puede no tener ninguna indicación cuando el supresor de sobretensión ha fallado. En las condiciones adecuadas de sobretensión e impedancia de línea, es posible que el MOV estalle en llamas, [21] la causa principal de muchos incendios [22] y la razón principal de la preocupación de NFPA que resultó en UL1449 en 1986 y revisiones posteriores en 1998 y 2009. Los dispositivos TVSS diseñados correctamente no deben fallar catastróficamente, lo que resultará en la apertura de un fusible térmico o algo equivalente que solo desconecte dispositivos MOV.

Limitaciones [ editar ]

Un MOV dentro de un supresor de picos de voltaje transitorio (TVSS) no brinda protección completa para 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 menores y, por lo tanto, un dispositivo MOV las ignora.

Un varistor no brinda protección al equipo contra picos de corriente de entrada (durante el arranque del equipo), contra sobrecorriente (creada por un cortocircuito) o caídas de voltaje ( caídas de voltaje ); no 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 equipo en sí o externamente por medios como un UPS, un regulador de voltaje o un protector contra sobretensiones con protección contra sobretensiones incorporada (que típicamente consta de un circuito sensor 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 [ editar ]

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 por sobretensiones más pequeñas y pueden implementarse con un "voltaje de sujeción" más bajo. Los MOV se degradan por la exposición repetida a sobretensiones [23] y generalmente tienen un "voltaje de sujeción" más alto para que las fugas no degraden 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. [24]

Otro tipo de supresor de transitorios es el supresor de tubo de gas. Este es un tipo de descarga 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 [ editar ]

Los dispositivos de varistor multicapa (MLV) brindan protección contra descargas electrostáticas a los circuitos electrónicos de transitorios de energía baja a media en equipos sensibles que operan a 0-120 voltios CC. Tienen valores nominales de corriente máxima de aproximadamente 20 a 500 amperios y valores nominales de energía máxima de 0,05 a 2,5 julios. [ cita requerida ]

Vea esto también [ editar ]

  • Fusible reiniciable , un dispositivo sensible a la corriente
  • Trisil

Referencias [ editar ]

  1. ^ Laboratorios Bell (1983). S. Millman (ed.). Una historia de la ingeniería y la ciencia en el sistema Bell, ciencias físicas (1925-1980) (PDF) . Laboratorios AT&T Bell. pag. 413. ISBN 0-932764-03-7.
  2. ^ Grondahl, LO; Geiger, PH (febrero de 1927). "Un nuevo rectificador electrónico". Revista de la AIEE . 46 (3): 357–366. doi : 10.1109 / JAIEE.1927.6534186 .
  3. ^ a b American Telephone & Telegraph; CF Myers, LSc Crosboy ( eds. ); Principios de electricidad aplicados al trabajo telefónico y telegráfico , ciudad de Nueva York (noviembre de 1938), p. 58, 257
  4. ^ Automatic Electric Co., Boletín 519, Monófono tipo 47 (Chicago, 1953)
  5. ^ Estándar nacional estadounidense, símbolos gráficos para diagramas eléctricos y electrónicos , ANSI Y32.2-1975 p.27
  6. ^ AT&T Bell Laboratories, personal técnico, RF Rey (ed.) Ingeniería y operaciones en el sistema Bell , segunda edición, Murray Hill (1983), p467
  7. ^ RO Grisdale, Varistores de carburo de silicio , Bell Laboratories Record 19 (octubre de 1940), págs. 46-51.
  8. ^ M. Matsuoka, Jpn. J. Appl. Phys., 10, 736 (1971).
  9. ^ Levinson L, Philip HR, Varistores de óxido de zinc: una revisión , American Ceramic Society Bulletin 65 (4), 639 (1986).
  10. ^ Introducción a los varistores de óxido metálico , www.powerguru.org
  11. ^ http://www.littelfuse.com/~/media/electronics_technical/application_notes/varistors/littelfuse_the_abcs_of_movs_application_note.pdf
  12. ^ https://www.nist.gov/pml/div684/upload/Lower_not_better.pdf
  13. ^ http://www.research.usf.edu/dpl/content/data/PDF/05B127.pdf
  14. ^ "Varistor de óxido metálico (MOV) - proyectos y diseño de circuitos electrónicos y diagrama-electrónica" .
  15. ^ https://www.gegridsolutions.com/app/DownloadFile.aspx?prod=surge_arresters&type=1&file=7
  16. ^ D. Månsson, R. Thottappillil, "Comentarios sobre 'Filtros lineales y no lineales que suprimen pulsos UWB'", Transacciones de IEEE sobre compatibilidad electromagnética, vol. 47, no. 3, págs. 671-672, agosto de 2005.
  17. ^ "Comparación detallada de dispositivos de supresión de sobretensiones" . Archivado desde el original el 5 de noviembre de 2010.
  18. ^ "Descripción general de la 3ª edición UL1449 - Protección contra sobretensiones - Littelfuse" .
  19. ^ USAGov. "Página de suscripción de USA.Gov" (PDF) . publications.usa.gov . Consultado el 9 de abril de 2018 .
  20. ^ https://www.nfpa.org/-/media/Files/News-and-Research/Fire-statistics-and-reports/Electrical/RFDataAssessmentforElectricalSurgeProtectionDevices.ashx?la=en
  21. ^ "Varistores de óxido de metal | Blog de disyuntores - Información de uso y seguridad de expertos" . Blog de disyuntores . Consultado el 14 de enero de 2013 .
  22. ^ http://www.esdjournal.com/techpapr/Pharr/INVESTIGATING%20SURGE%20SUPPRESSOR%20FIRES.doc
  23. ^ Winn L. Rosch (2003). Winn L. Rosch Hardware Bible (6a ed.). Que Publishing. pag. 1052. ISBN 978-0-7897-2859-3.
  24. ^ Brown, Kenneth (marzo de 2004). "Degradación del varistor de óxido metálico" . Revista IAEI . Archivado desde el original el 19 de julio de 2011 . Consultado el 30 de marzo de 2011 .

Enlaces externos [ editar ]

  • El ABC de los MOV  : notas de aplicación de la empresa Littelfuse
  • Prueba de varistores de la empresa Littelfuse