Varistör Nedir?

Varistör, elektrik ve elektronik devrelere koruma sağlamak için kullanılan pasif iki terminalli katı hal yarı iletken bir cihazdır.

Aşırı akım koruması sağlayan sigorta veya devre kesiciden farklı olarak varistör, zener diyotta olduğu gibi gerilim sıkma yoluyla aşırı gerilim koruması sağlar.

Varistör, VARI-able resi-STOR kelimelerinden türetilmiştir. İsminden dolayı, reosta ve potansiyometre ile karıştırmamak gerekir çünkü değeri onlar gibi değiştirilebilir değildir.

varistör
Varistör

Ancak, direnç değeri minimum ve maksimum değerleri arasında manuel olarak değiştirilebilen değişken bir direncin aksine, varistör, direnç değerini, voltajdaki değişiklikle otomatik olarak değiştirir ve onu voltaja bağlı, doğrusal olmayan bir direnç veya kısaca VDR yapar.

Günümüzde bir varistörün dirençli gövdesi, onu hem AC hem de DC voltaj uygulamaları için uygun, omik olmayan simetrik voltaj ve akım özelliklerine sahip bir tür yarı iletken direnç yapan yarı iletken malzemeden yapılmıştır.

Bir çok yönden, varistör boyut ve tasarım olarak bir kapasitöre benzer görünür ve çoğu zaman tek olarak karıştırılır. Bununla birlikte, bir kapasitör voltaj dalgalanmalarını bir varistörün yapabileceği şekilde bastıramaz. Bir devreye yüksek voltaj dalgalanması uygulandığında, sonuç genellikle devre için felaket olur, bu nedenle varistör, hassas elektronik devrelerin ani anahtarlamalardan ve aşırı voltaj geçişlerinden korunmasında önemli bir rol oynar.

Geçici dalgalanmalar, bir AC veya DC kaynağından çalışıp çalışmadıklarına bakılmaksızın, genellikle devrenin kendi içinde üretildikleri veya harici kaynaklardan devreye iletildikleri için çeşitli elektrik devrelerinden ve kaynaklarından kaynaklanır. Bir devre içindeki geçici olaylar, voltajı birkaç bin volta yükselterek hızla yükselebilir ve hassas elektronik devreler ve bileşenler arasında arzıları önlemek için böyle durumlarda varistör kullanılır.

Geçici gerilimlerin en yaygın kaynaklarından biri, endüktif bobinlerin ve trafo mıknatıslama akımlarının anahtarlanmasından, DC motor anahtarlama uygulamalarından ve floresan aydınlatma devrelerinin açılmasından veya diğer besleme dalgalanmalarından kaynaklanan L(di/dt) etkisidir.

AC Dalga Formu Geçici Olayları

varistör

Varistörler, bir ana şebeke beslemesi üzerinden devrelere, AC çalışması için faz-nötr, faz-faz veya DC çalışması için pozitif-negatif şekilde bağlanır ve uygulamalarına uygun bir voltaj derecesine sahiptir. DC voltaj stabilizasyonu ve özellikle aşırı voltaj darbelerine karşı elektronik devre koruması için bir varistör de kullanılabilir.

Varistör Statik Direnci

varistör

Normal çalışma altında varistör çok yüksek bir dirence sahiptir, bu nedenle adının bir parçası olarak daha düşük eşik voltajlarının etkilenmeden geçmesine izin vererek zener diyotuna benzer şekilde çalışır.

Bununla birlikte, varistör üzerindeki voltaj (her iki polarite de) varistörlerin anma değerini aştığında, gösterildiği gibi artan voltajla etkin direnci güçlü bir şekilde azalır.

Ohm Yasasından, sabit bir direncin akım-voltaj (IV) özelliklerinin, R’nin sabit tutulması şartıyla düz bir çizgi olduğunu biliyoruz.

Ancak bir varistörün IV eğrileri düz bir çizgi değildir, çünkü küçük bir voltaj değişikliği önemli bir akım değişikliğine neden olur. Standart bir varistör için tipik bir normalize gerilim-akım karakteristik eğrisi aşağıda verilmiştir.

Varistör Karakteristik Eğrisi

varistör
Varistör Karakteristik Eğrisi

Yukarıdan, varistörün simetrik çift yönlü özelliklere sahip olduğunu görebiliriz, yani varistör, arka arkaya bağlanmış iki zener diyotuna benzer şekilde davranan sinüzoidal bir dalga formunun her iki yönünde (bölüm Ι ve ΙΙΙ) çalışır. İletken olmadığında, varistörden akan akım sadece birkaç mikro amper “kaçak” akımda sabit ve düşük kaldığından IV eğrisi doğrusal bir ilişki gösterir. Bunun nedeni, açık devre gibi davranan yüksek direncidir ve varistör üzerindeki voltaj (her iki polarite) belirli bir “anma voltajına” ulaşana kadar sabit kalır.

Bu nominal veya kenetleme gerilimi, belirtilen 1mA DC akımı ile ölçülen varistör üzerindeki gerilimdir. Yani, kendi yapımında kullanılan malzemelere bağlı olan varistörlerin dirençli gövdesinden 1mA’lık bir akımın akmasına izin veren terminalleri boyunca uygulanan DC voltaj seviyesi. Bu voltaj seviyesinde, varistör yalıtkan durumundan iletken durumuna geçmeye başlar.

Varistör üzerindeki geçici voltaj, nominal değere eşit veya daha büyük olduğunda, cihazın direnci aniden çok küçük hale gelir ve yarı iletken malzemesinin çığ etkisi nedeniyle varistörü bir iletken haline getirir. Varistörden akan küçük kaçak akım hızla yükselir ancak üzerindeki voltaj, varistör voltajının hemen üzerindeki bir seviyeyle sınırlıdır.

Başka bir deyişle, varistör, içinden daha fazla akımın geçmesine izin vererek geçici voltajı kendi kendine düzenler ve doğrusal olmayan dik IV eğrisi nedeniyle, herhangi bir voltaj artışını kırparak dar bir voltaj aralığında geniş ölçüde değişen akımları geçirebilir.

Varistör Kapasite Değerleri

Bir varistörün iki terminali arasındaki ana iletken bölgesi bir dielektrik gibi davrandığından, sıkıştırma voltajının altında varistör dirençten çok bir kapasitör gibi davranır. Her yarı iletken varistörün, doğrudan alanına bağlı olan ve kalınlığı ile ters orantılı olarak değişen bir kapasitans değeri vardır.

DC devrelerinde kullanıldığında, uygulanan voltajın kenetleme voltajı seviyesinin üzerine çıkmaması ve maksimum nominal sürekli DC voltajına doğru aniden düşmesi şartıyla varistörün kapasitansı aşağı yukarı sabit kalır.

Ancak AC devrelerinde bu kapasitans, IV özelliklerinin iletken olmayan kaçak bölgesinde cihazın vücut direncini etkileyebilir. Normalde aşırı voltajlara karşı korumak için bir elektrikli cihaza paralel olarak bağlandıklarından, varistörlerin kaçak direnci frekanstaki artışla hızla düşer.

Bu ilişki, frekans ve sonuçta ortaya çıkan paralel direnç ile yaklaşık olarak doğrusaldır, AC reaktansı, Xc normal bir kapasitör için 1/(2πƒC) kullanılarak hesaplanabilir. Ayrıca frekans arttıkça kaçak akımı da artar.

Ancak silikon yarı iletken tabanlı varistörün yanı sıra, silikon karbür türlerle ilişkili bazı sınırlamaların üstesinden gelmek için metal oksit varistörleri geliştirilmiştir.

Metal Oksit Varistör

Metal Oksit Varistör veya MOV kısaca, çinko oksit(ZnO) kullanılarak yapılmış, voltaj ayarları bir dirençtir. Metal oksit varistörleri, seramik temel malzeme olarak yaklaşık %90 çinko oksit ve çinko oksit taneleri arasında bağlantıların oluşumu için diğer dolgu malzemelerinden oluşur.

Metal oksit varistörleri artık en yaygın voltaj kenetleme cihazı türüdür ve çok çeşitli voltaj ve akımlarda kullanım için mevcuttur. Yapılarında metalik oksit kullanılması, MOV’ların kısa süreli voltaj geçişlerini emmede son derece etkili olduğu ve daha yüksek enerji işleme yeteneklerine sahip olduğu anlamına gelir.

Normal varistörde olduğu gibi, metal oksit varistörü belirli bir voltajda iletime başlar ve voltaj bir eşik voltajının altına düştüğünde iletimi durdurur. Standart bir silisyum karbür (SiC) varistörü ile MOV tipi bir varistör arasındaki temel fark, MOV’un çinko oksit malzemesinden geçen kaçak akımın normal çalışma koşullarında çok küçük akım olması ve kenetleme geçişlerinde çalışma hızının çok daha hızlı olmasıdır.

MOV’lar genellikle radyal uçlara ve disk seramik kapasitörlere çok benzeyen ve fiziksel olarak devre kartlarına ve PCB’lere benzer şekilde monte edilebilen sert dışı mavi veya siyah epoksi kaplamaya sahiptir. Tipik bir metal oksit varistörünün yapısı şu şekilde verilir:

varistör
Metal Oksit Varistör Yapısı

Belirli bir uygulama için doğru MOV’u seçmek için, kaynak empedansı ve geçici olayların olası darbe gücü hakkında biraz bilgi sahibi olmak gerekir. Gelen hat veya faz kaynaklı geçişler için, genellikle güç kaynağının özellikleri bilinmediğinden doğru MOV’un seçimi biraz daha zordur. Genel olarak, devrelerin güç kaynağı geçici akımlarından ve ani yükselmelerden elektrik koruması için MOV seçimi genellikle bilinçli bir tahminden biraz daha fazlasıdır.

Bununla birlikte, metal oksit varistörleri, yaklaşık 10 volttan 1.000 voltun üzerinde AC veya DC’ye kadar çok çeşitli varistör voltajlarında mevcuttur, bu nedenle besleme voltajını bilmek seçime yardımcı olabilir. Örneğin, bu konuda bir MOV veya silikon varistör seçmek, voltaj için, maksimum sürekli rms voltaj derecesi, beklenen en yüksek besleme voltajının hemen üzerinde olmalıdır, örneğin 120 voltluk bir besleme için 130 volt rms ve 230 volt için 260 volt rms gereklidir.

Bir varistörün alacağı maksimum darbe akımı değeri, geçici darbe genişliğine ve darbe tekrarlarının sayısına bağlıdır. Tipik olarak 20 ila 50 mikrosaniye (μs) uzunluğunda olan bir geçici darbenin genişliği üzerine varsayımlar yapılabilir. Tepe darbe akım derecesi yetersizse varistör aşırı ısınabilir ve hasar görebilir. Bu nedenle, bir varistörün herhangi bir arıza veya bozulma olmadan çalışması için, geçici darbenin emilen enerjisini hızla dağıtabilmesi ve darbe öncesi durumuna güvenli bir şekilde geri dönebilmesi gerekir.

Varistör Uygulamaları

Varistörlerin birçok avantajı vardır ve hem AC hem de DC güç hatlarında ev aletlerinden ve aydınlatmadan endüstriyel ekipmanlara kadar şebeke kaynaklı geçişlerin bastırılması için birçok farklı uygulamada kullanılabilir. Varistörler, transistörlerin, MOSFET’lerin ve tristör köprülerinin korunması için doğrudan şebeke kaynakları ve yarı iletken anahtarlar üzerinden bağlanabilir.

Varistör Uygulamaları

varistör

Özetle

Bu öğreticide, Voltaja Bağlı Direnç / varistör veya VDR’nin temel işlevinin, elektronik cihazları ve elektrik devrelerini, endüktif anahtarlama geçişleri tarafından oluşturulanlar gibi voltaj dalgalanmalarına ve yükselmelerine karşı korumak olduğunu gördük.

Bu tür varistörler, hassas elektronik devrelerde, voltajın aniden önceden belirlenmiş bir değeri aşması durumunda, varistörün, yüzlerce tepe akımına dayanabildiklerinden, şönt yaptığı devreyi aşırı voltajdan korumak için etkin bir kısa devre haline gelmesini sağlamak için kullanılır.

Varistörler, doğrusal olmayan, omik olmayan akım gerilimi karakteristiğine sahip bir direnç türüdür ve aşırı gerilim geçici akımlarına ve dalgalanmalarına karşı koruma sağlamanın güvenilir ve ekonomik bir yoludur.

Bunu, daha düşük voltajlarda yüksek dirençli bir engelleme cihazı olarak ve daha yüksek voltajlarda iyi bir düşük dirençli iletken cihaz olarak hareket ederek gerçekleştirirler. Bir varistörün bir elektrik veya elektronik devreyi korumadaki etkinliği, varistörün voltaj, akım ve enerji dağılımı açısından doğru seçilmesine bağlıdır.

Metal Oksit Varistörleri veya MOV’lar tipik olarak küçük disk şeklindeki metal çinko oksit malzemeden yapılır. Belirli voltaj aralıkları için birçok değerde mevcutturlar. Bir MOV’un “varistör voltajı” olarak adlandırılan voltaj derecesi, cihazdan 1mA’lık bir akım geçtiğinde bir varistör üzerindeki voltajdır. Bu varistör voltaj seviyesi, esasen cihaz iletime başladığında IV karakteristik eğrisi üzerindeki noktadır. Metal oksit varistörleri, sıkıştırma voltajı derecesini artırmak için seri olarak da bağlanabilir.