Varistorit - toimintaperiaate, tyypit ja sovellus
Varistori on puolijohdekomponentti, joka voi muuttaa aktiivista vastustaan epälineaarisesti riippuen siihen syötetyn jännitteen suuruudesta. Itse asiassa se on vastus, jolla on sellainen virta-jännite-ominaisuus, jonka lineaarinen osa on rajoitettu kapealle alueelle, johon varistorin resistanssi tulee, kun siihen kohdistetaan tietyn kynnyksen ylittävä jännite.
Tässä vaiheessa elementin vastus muuttuu jyrkästi useiden suuruusluokkien verran - se pienenee alkuperäisistä kymmenistä MΩ:ista ohmin yksikköihin. Ja mitä enemmän käytetty jännite kasvaa, sitä pienemmäksi ja pienemmäksi tulee varistorin resistanssi. Tämä ominaisuus tekee varistorista nykyaikaisten ylijännitesuojalaitteiden peruselementin.
Suojatun kuorman rinnan kytkettynä varistori absorboi häiriövirran ja haihduttaa sen lämpönä. Ja tämän tapahtuman lopussa, kun käytetty jännite laskee ja palaa kynnyksen yläpuolelle, varistori palauttaa alkuperäisen resistanssinsa ja on jälleen valmis suorittamaan suojatoimintoa.
Voidaan sanoa, että varistori on puolijohdeanalogi kaasukipinävälistä, vain varistorissa, toisin kuin kaasukipinässä, alkuperäinen korkea vastus palautuu nopeammin, inertiaa ei käytännössä ole, ja nimellisjännitteiden alue alkaa 6:sta ja saavuttaa 1000 volttia ja enemmän.
Tästä syystä varistoreita käytetään laajalti suojapiireissä. puolijohdekytkimet, piireissä, joissa on induktiiviset elementit (kipinöiden sammuttamiseen), sekä elektronisten laitteiden tulopiirien sähköstaattisen suojauksen itsenäiset elementit.
Varistorin valmistusprosessi koostuu jauhemaisen puolijohteen sintraamisesta sideaineella noin 1700 °C:n lämpötilassa. Tässä käytetään puolijohteita, kuten sinkkioksidia tai piikarbidia. Sideaine voi olla vesilasia, savea, lakkaa tai hartsia. Sintraamalla saadulle levymäiselle elementille asetetaan metalloimalla elektrodit, joihin komponentin asennuslangat juotetaan.
Perinteisen kiekkomuodon lisäksi varistoreita löytyy tankojen, helmien ja kalvojen muodossa. Säädettävät varistorit on valmistettu tangoista, joissa on liikkuva kosketin. Perinteiset puolijohdemateriaalit, joita käytetään piikarbidiin perustuvien varistoreiden valmistuksessa, joissa on erilaisia sidoksia: tyriitti, williitti, letiini, siliitti.
Varistorin sisäinen toimintaperiaate on, että sidosmassan sisällä olevien pienten puolijohdekiteiden reunat ovat kosketuksissa toisiinsa muodostaen johtavia piirejä. Kun tietyn suuruinen virta kulkee niiden läpi, tapahtuu kiteiden paikallista ylikuumenemista ja piirien vastus pienenee. Tämä ilmiö selittää varistorin CVC-epälineaarisuuden.
Yksi varistorin pääparametreista rms-vastejännitteen ohella on epälineaarisuuskerroin, joka ilmaisee staattisen vastuksen ja dynaamisen resistanssin suhteen. Sinkkioksidipohjaisilla varistoreilla tämä parametri vaihtelee välillä 20 - 100. Varistorin lämpötilakertoimen (TCR) osalta se on yleensä negatiivinen.
Varistorit ovat kompakteja, luotettavia ja toimivat hyvin monenlaisissa käyttölämpötiloissa.Painetuista piirilevyistä ja SPD-levyistä löytyy pieniä levyvaristoreja, joiden halkaisija on 5-20 mm. Suurempien tehojen hajauttamiseen käytetään lohkovaristoreja, joiden kokonaismitat ovat 50, 120 ja enemmän, jotka pystyvät haihduttamaan kilojoulea energiaa pulssissa ja kuljettamaan niiden läpi kymmenien tuhansien ampeerien virtaa, mutta eivät menetä tehokkuutta.
Yksi minkä tahansa varistorin tärkeimmistä parametreista on vasteaika. Vaikka varistorin tyypillinen aktivointiaika ei ylitä 25 ns ja joissakin piireissä tämä riittää, kuitenkin joissain paikoissa, esimerkiksi sähköstaattista suojaa varten, tarvitaan nopeampaa vastetta, enintään 1 ns.
Tähän tarpeeseen liittyen maailman johtavat varistorien valmistajat suuntaavat ponnistelunsa suorituskyvyn parantamiseen. Yksi tapa saavuttaa tämä tavoite on pienentää monikerroskomponenttien napojen pituutta (vastaavasti induktanssia). Tällaiset CN-varistorit ovat jo ottaneet arvokkaan paikan integroitujen piirien staattista ulostuloa vastaan suojauksessa.
DC-varistorin nimellisjännite (1mA) on ehdollinen parametri, tällä jännitteellä varistorin läpi kulkeva virta ei ylitä 1mA.Nimellisjännite on ilmoitettu varistorin merkinnässä.
ACrms on varistorin vaihtovirtajännitteen tehollinen vaste. DC — DC-jännitteen aktivointi.
Lisäksi suurin sallittu jännite tietyllä virralla on standardoitu, esimerkiksi V @ 10A. W on komponentin nimellistehohäviö. J on yksittäisen absorboidun pulssin maksimienergia, joka määrittää ajan, jonka aikana varistori pystyy haihduttamaan nimellistehon pysyen hyvässä kunnossa. Ipp - varistorin huippuvirta, joka normalisoituu nousuajalla ja absorboidun pulssin kestolla, mitä pidempi pulssi, sitä pienempi on sallittu huippuvirta (mitattu kiloampereissa).
Suuremman tehohäviön saavuttamiseksi varistorien rinnakkais- ja sarjakytkentä on sallittu. Rinnakkain kytkettynä on tärkeää valita varistorit mahdollisimman lähelle parametreja.