Varistoren – Funktionsprinzip, Typen und Anwendung
Ein Varistor ist ein Halbleiterbauelement, das seinen aktiven Widerstand in Abhängigkeit von der Größe der an ihm angelegten Spannung nichtlinear ändern kann. Tatsächlich handelt es sich um einen Widerstand mit einer solchen Strom-Spannungs-Kennlinie, dessen linearer Abschnitt auf einen engen Bereich begrenzt ist, den der Widerstand des Varistors erreicht, wenn an ihn eine Spannung über einem bestimmten Schwellenwert angelegt wird.
An diesem Punkt ändert sich der Widerstand des Elements stark um mehrere Größenordnungen – er sinkt von den anfänglichen zehn MΩ auf Einheiten von Ohm. Und je mehr die angelegte Spannung ansteigt, desto kleiner und kleiner wird der Widerstand des Varistors. Diese Eigenschaft macht den Varistor zu einem unverzichtbaren Bestandteil moderner Überspannungsschutzgeräte.
Parallel zur geschützten Last geschaltet, nimmt der Varistor den Störstrom auf und gibt ihn als Wärme ab. Und am Ende dieses Ereignisses, wenn die angelegte Spannung abnimmt und wieder über den Schwellenwert steigt, stellt der Varistor seinen ursprünglichen Widerstand wieder her und ist wieder bereit, eine Schutzfunktion auszuführen.
Wir können sagen, dass der Varistor ein Halbleiteranalogon einer Gasfunkenstrecke ist, nur wird bei einem Varistor im Gegensatz zu einem Gasfunken der anfänglich hohe Widerstand schneller wiederhergestellt, es gibt praktisch keine Trägheit und der Bereich der Nennspannungen beginnt bei 6 und erreicht 1000 und mehr Volt.
Aus diesem Grund werden Varistoren häufig in Schutzschaltungen eingesetzt. Halbleiterschalter, in Stromkreisen mit induktiven Elementen (zum Löschen von Funken) sowie unabhängigen Elementen des elektrostatischen Schutzes der Eingangsstromkreise elektronischer Geräte.
Der Prozess zur Herstellung eines Varistors besteht aus dem Sintern eines pulverförmigen Halbleiters mit einem Bindemittel bei einer Temperatur von etwa 1700 °C. Dabei werden Halbleiter wie Zinkoxid oder Siliziumkarbid verwendet. Das Bindemittel kann Wasserglas, Ton, Lack oder Harz sein. Auf dem durch Sintern erhaltenen scheibenförmigen Element werden durch Metallisierung Elektroden aufgebracht, an denen die Montagedrähte des Bauteils angelötet werden.
Neben der klassischen Scheibenform gibt es Varistoren auch in Form von Stäben, Perlen und Folien. Einstellbare Varistoren werden in Form von Stäben mit beweglichem Kontakt hergestellt. Traditionelle Halbleitermaterialien, die bei der Herstellung von Varistoren auf Basis von Siliziumkarbid mit unterschiedlichen Bindungen verwendet werden: Thyrit, Willit, Lethin, Silit.
Das interne Funktionsprinzip des Varistors besteht darin, dass die Kanten kleiner Halbleiterkristalle innerhalb der Verbindungsmasse miteinander in Kontakt stehen und leitende Schaltkreise bilden. Wenn ein Strom einer bestimmten Stärke durch sie fließt, kommt es zu einer lokalen Überhitzung der Kristalle und der Widerstand der Stromkreise nimmt ab. Dieses Phänomen erklärt die CVC-Nichtlinearität des Varistors.
Einer der Hauptparameter des Varistors ist neben der Effektivwert-Ansprechspannung der Nichtlinearitätskoeffizient, der das Verhältnis des statischen Widerstands zum dynamischen Widerstand angibt. Bei Varistoren auf Basis von Zinkoxid variiert dieser Parameter zwischen 20 und 100. Der Temperaturkoeffizient des Widerstands des Varistors (TCR) ist normalerweise negativ.
Varistoren sind kompakt, zuverlässig und funktionieren in einem breiten Betriebstemperaturbereich gut. Auf Leiterplatten und in SPDs finden sich kleine Scheibenvaristoren mit einem Durchmesser von 5 bis 20 mm. Um höhere Leistungen abzuleiten, werden Blockvaristoren mit Gesamtabmessungen von 50, 120 und mehr Millimetern verwendet, die in der Lage sind, Kilojoule Energie in einem Impuls abzuleiten und Ströme von mehreren zehntausend Ampere durch sie zu leiten, ohne an Effizienz zu verlieren.
Einer der wichtigsten Parameter eines jeden Varistors ist die Reaktionszeit. Obwohl die typische Aktivierungszeit eines Varistors 25 ns nicht überschreitet und dies in einigen Schaltkreisen ausreichend ist, ist an manchen Stellen, beispielsweise zum Schutz vor Elektrostatik, eine schnellere Reaktion erforderlich, nicht mehr als 1 ns.
Im Zusammenhang mit diesem Bedarf richten die weltweit führenden Hersteller von Varistoren ihre Bemühungen darauf, ihre Leistung zu steigern. Eine Möglichkeit, dieses Ziel zu erreichen, besteht darin, die Länge (bzw. die Induktivität) der Anschlüsse der Mehrschichtkomponenten zu reduzieren. Solche CN-Varistoren haben bereits einen würdigen Platz beim Schutz vor statischen Ausgängen integrierter Schaltkreise eingenommen.
Die Nennspannung des DC-Varistors (1 mA) ist ein bedingter Parameter. Bei dieser Spannung überschreitet der Strom durch den Varistor 1 mA nicht.Die Nennspannung ist auf der Kennzeichnung des Varistors angegeben.
ACrms ist die effektive Wechselspannungsreaktion des Varistors. DC – Gleichspannungsbetätigung.
Darüber hinaus ist die maximal zulässige Spannung bei einem bestimmten Strom standardisiert, beispielsweise V @ 10A. W ist die Nennverlustleistung der Komponente. J ist die maximale Energie eines einzelnen absorbierten Impulses, die die Zeit bestimmt, während der der Varistor in der Lage ist, die Nennleistung abzuleiten und dabei in gutem Zustand zu bleiben. Ipp – der Spitzenstrom des Varistors, normalisiert durch die Anstiegszeit und die Dauer des absorbierten Impulses. Je länger der Impuls, desto niedriger ist der zulässige Spitzenstrom (gemessen in Kiloampere).
Um eine höhere Verlustleistung zu erreichen, ist die Parallel- und Reihenschaltung von Varistoren zulässig. Bei Parallelschaltung ist es wichtig, Varistoren so auszuwählen, dass sie den Parametern möglichst nahe kommen.