Cada dispositivo eletrônico incluído na rede precisa de proteção contra ultrapassar os valores limite de corrente ou tensão. Vários fusíveis e disjuntores são usados para proteção de corrente, mas os varistores são mais frequentemente usados para proteger o dispositivo contra sobretensão. Neste artigo, consideraremos o princípio de funcionamento do varistor, suas características, vantagens e desvantagens desse componente eletrônico.
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O que é um varistor e onde é usado
Varistor - Trata-se de um resistor variável feito de material semicondutor, capaz de alterar sua resistência elétrica dependendo da tensão aplicada a ele.
O princípio de operação de tal componente eletrônico difere de um resistor e potenciômetro convencionais. Padrão resistor tem um valor constante de resistência a qualquer momento, independentemente da tensão no circuito, o potenciômetro permite alterar a resistência manualmente girando o botão de controle. Mas o varistor tem uma característica de tensão-corrente simétrica não linear e sua resistência depende inteiramente da tensão no circuito.
Devido a esta propriedade, os varistores são amplamente utilizados para proteger redes elétricas, máquinas e equipamentos, bem como componentes eletrônicos, placas e microcircuitos, independentemente do tipo de tensão. Eles têm um baixo custo de fabricação, são confiáveis no uso e são capazes de suportar altas cargas.
Os varistores são utilizados tanto em instalações de alta tensão até 20 kV como em instalações de baixa tensão de 3 a 200 V como limitador de tensão. Ao mesmo tempo, eles podem trabalhar tanto em redes com corrente alternada quanto com corrente contínua. Eles são usados para regular e estabilizar a corrente e a tensão, bem como em dispositivos de proteção contra surtos. Usado no projeto de filtros de rede, fontes de alimentação, telefones celulares, SPD e outras SPE.
Tipos e princípio de operação
Ao operar em condições normais, o varistor possui uma resistência enorme, que pode diminuir quando a tensão excede um valor limite. Ou seja, se a tensão no circuito aumentar significativamente, o varistor passa de um estado isolante para um estado eletricamente condutor e, devido ao efeito de avalanche no semicondutor, estabiliza a tensão passando uma grande corrente por si mesmo.
Os varistores podem trabalhar com alta e baixa tensão e, portanto, são divididos em dois grupos de dispositivos que possuem o mesmo princípio de funcionamento:
- Alta tensão: capaz de operar em circuitos com valores de corrente até 20 kV (usado em sistemas de proteção de redes e equipamentos, em dispositivos de proteção contra surtos).
- Baixa tensão: a tensão nominal para este tipo de componentes varia de 3 a 200 V (usados para proteger dispositivos eletrônicos e componentes de equipamentos com corrente de 0,1 - 1A e são instalados na entrada ou saída da fonte de alimentação).
Tempo de resposta do varistor em oscilação de energia é de cerca de 25 ns, que é um valor excelente, mas em alguns casos insuficiente. Por isso, os fabricantes de componentes eletrônicos desenvolveram uma tecnologia para a fabricação de um resistor smd, que possui um tempo de resposta de 0,5 ns.
Varistores de todos os tipos são feitos de carbeto de silício ou óxido de zinco sinterizando este material com um aglutinante (resina, argila, vidro) em alta temperatura. Depois de receber um elemento semicondutor, ele é metalizado em ambos os lados com fios de metal de solda para conexão.
Marcação, principais características e parâmetros
Cada fabricante de varistores rotula seu produto de uma determinada maneira, portanto, há um número bastante grande de opções de designação e suas interpretações. O varistor russo mais comum é o K275, e os componentes populares fabricados no exterior são 7n471k, kl472m e outros.
A designação do varistor CNR-10d751k pode ser decifrada da seguinte forma: CNR – varistor de óxido metálico; d - significa que o componente está na forma de um disco; 10 é o diâmetro do disco; 751 – tensão de resposta para este dispositivo (o cálculo ocorre multiplicando os dois primeiros dígitos por 10 pela potência igual ao terceiro dígito, ou seja, 75 vezes 10 ao primeiro grau, obtemos 750 V); k - desvio permitido da tensão nominal, que é de 10% em qualquer direção (l - 15%, M - 20%, P - 25%).
As principais características dos varistores são os seguintes parâmetros:
Tensão de classificação - tensão em certos valores de corrente que flui através do varistor (normalmente este valor é 1mA). Essa configuração é condicional e não afeta a seleção do dispositivo;
Tensão máxima permitida - alcance de voltagem (RMS ou RMS), no qual o varistor começa a diminuir sua resistência;
Energia máxima de absorção - uma característica que mostra o valor da energia que o varistor dissipa e não falha quando exposto a um único pulso (medido em joules);
Corrente de pico máxima – normaliza o tempo de subida e a duração do pulso de corrente (medido em amperes);
Capacidade é um parâmetro muito importante, que é medido com o estado fechado e uma determinada frequência (cai para zero se uma grande corrente for aplicada ao varistor);
Tolerância - desvio da diferença de potencial nominal em ambas as direções (indicado como uma porcentagem).
Tempo de resposta - o intervalo de tempo durante o qual o varistor passa do estado fechado para o aberto (geralmente algumas dezenas de nanossegundos).
Vantagens e desvantagens dos varistores
Uma vantagem importante de um resistor não linear (varistor) é sua operação estável e confiável em altas frequências e cargas pesadas. É utilizado em muitos dispositivos que operam com tensões de 3 V a 20 kV, é relativamente simples e barato de fabricar e eficiente na operação. Outros benefícios importantes são:
- alta velocidade de resposta (nanossegundos);
- longa vida útil;
- a capacidade de monitorar quedas de tensão (método sem inércia).
Apesar de este componente eletrônico ter muitas vantagens, também possui desvantagens que afetam seu uso em vários sistemas. Esses incluem:
- ruído de baixa frequência durante a operação;
- envelhecimento de componentes (perda de parâmetros ao longo do tempo);
- grande capacitância: depende da tensão e do tipo de elemento, está na faixa de 70 a 3200 pF e afeta o desempenho do dispositivo;
- em valores de tensão máxima, a energia não é dissipada - superaquece significativamente e falha em valores de tensão máxima de longo prazo.
Seleção de varistor
Para escolher o varistor certo para um determinado dispositivo, você precisa conhecer as características de sua fonte de alimentação: resistência e potência dos pulsos transitórios. O valor máximo de corrente permitido é determinado, entre outras coisas, pela duração de sua exposição e pelo número de repetições; portanto, ao instalar um varistor com um valor de corrente de pico subestimado, ele falhará rapidamente.Em suma, para uma proteção efetiva do dispositivo, é necessário escolher um varistor com uma tensão que tenha uma pequena margem em relação à nominal.
Além disso, para a operação sem problemas de tal componente eletrônico, a taxa de dissipação da energia térmica absorvida e a capacidade de retornar rapidamente ao estado de operação normal são muito importantes.
Designação no diagrama e opções para conectar o varistor
No esquemas varistor geralmente denotado, assim como um resistor regular, mas com um U adicionado ao lado da barra. Este recurso indica nos diagramas que este elemento tem uma dependência de resistência da tensão no circuito. Também em diagrama de fiação este elemento é marcado com duas letras R e U com a adição de um número de série (RU1, RU2 ... etc.).
Há um grande número de opções para conectar varistores, mas o comum para todos os métodos é que esse componente é conectado em paralelo com o circuito de alimentação. Portanto, na ausência de valores perigosos de pulsos de tensão, a corrente que flui pelo varistor tem um valor pequeno (devido a grandes valores de resistência) e não afeta de forma alguma o desempenho do sistema. Quando ocorre uma sobretensão, o varistor altera a resistência para valores pequenos, a carga é desviada e a energia absorvida é dissipada no espaço circundante.
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