Un varistor (también conocido como resistencia dependiente de voltaje (VDR) ) es un componente electrónico que protege contra sobretensiones con una resistencia eléctrica que varía con el voltaje aplicado. [2] Tiene una característica de corriente-voltaje no lineal y no óhmica que es similar a la de un diodo . Sin embargo, a diferencia de un diodo, tiene las mismas características para ambas direcciones de la corriente que lo atraviesa. Tradicionalmente, los varistores se construían conectando dos rectificadores , como el rectificador de óxido de cobre o de óxido de germanio en configuración antiparalela . A bajo voltaje, el varistor tiene una alta resistencia eléctrica que disminuye a medida que aumenta el voltaje. Los varistores modernos se basan principalmente en materiales cerámicos de óxido metálico sinterizados que exhiben un comportamiento direccional sólo 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 óptimas de funcionamiento 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 sólo se utiliza para resistencias variables no óhmicas. Las resistencias variables , como el potenciómetro y el reóstato , tienen características óhmicas .
El desarrollo del varistor, en forma de un nuevo tipo de rectificador basado en una capa de óxido cuproso (Cu 2 O) sobre cobre, tuvo su origen en el trabajo de LO Grondahl y PH Geiger en 1927. [3]
El varistor de óxido de cobre exhibió una resistencia variable dependiendo de la polaridad y la magnitud del voltaje aplicado. [4] Fue construido a partir de un pequeño disco de cobre, en un lado del cual se formó una capa de óxido cuproso. Esta disposición proporciona una baja resistencia a la corriente que fluye desde el óxido semiconductor hacia el lado de cobre, pero una alta resistencia a la corriente en la dirección opuesta, variando la resistencia instantánea 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 para reemplazar circuitos de tubos de electrones voluminosos como moduladores y demoduladores en sistemas de corriente portadora para transmisión telefónica. [4]
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 estallidos al cambiar de circuito. Estos varistores se construyeron colocando en capas 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 fotografía de un varistor Western Electric Tipo 3B de junio de 1952 (abajo).
![Circuito de construcción tradicional de varistores utilizados como supresores de clic en telefonía[5]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/43/Varistor_circuit_historical_construction.png/1280px-Varistor_circuit_historical_construction.png)
![Símbolo esquemático de varistor tradicional,[6] utilizado hoy en día para el diac. Expresa el comportamiento similar a un diodo en ambas direcciones del flujo de corriente.](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/81/Diac.svg/1280px-Diac.svg.png)
El teléfono Western Electric tipo 500 de 1949 introdujo un circuito de ecualización de bucle dinámico utilizando varistores que desviaban niveles relativamente altos de corriente de bucle en bucles cortos de la oficina central para ajustar automáticamente los niveles de transmisión y recepción de la señal. En bucles largos, los varistores mantuvieron una resistencia relativamente alta y no alteraron significativamente las señales. [7]
RO Grisdale fabricó otro tipo de varistor con carburo de silicio (SiC) a principios de la década de 1930. Se utilizaba para proteger las líneas telefónicas de los rayos. [8]
A principios de la década de 1970, investigadores japoneses reconocieron las propiedades electrónicas semiconductoras del óxido de zinc (ZnO) como útiles como un nuevo tipo de varistor en un proceso de sinterización cerámica , que exhibía una función voltaje-corriente similar a la de un par de varistores conectados. volver Diodos Zener . [9] [10] Este tipo de dispositivo se convirtió en el método preferido para proteger circuitos contra sobretensiones y otras perturbaciones eléctricas destructivas, y se conoció generalmente como varistor de óxido metálico (MOV). La aleatoriedad de 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.
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 (ZnO), en una matriz de otros óxidos metálicos, como pequeñas cantidades de óxidos de bismuto, cobalto y 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 aleatoriamente es eléctricamente equivalente a una red de pares de diodos consecutivos, cada par en paralelo con muchos otros pares. [11]
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 los 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.
Un varistor permanece no conductor como dispositivo en modo derivación durante el funcionamiento normal cuando el voltaje a través de él permanece muy por debajo de su "voltaje de fijación", por lo que los varistores se usan típicamente para suprimir sobretensiones de línea. Los varistores pueden fallar por dos razones.
Se produce una falla catastrófica 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 de lo que el varistor puede manejar. La corriente de seguimiento resultante de una descarga puede derretir, quemar o incluso vaporizar el varistor. Esta fuga térmica se debe a una falta de conformidad en las uniones individuales de los límites de los granos, lo que conduce a la falla de las rutas de corriente dominantes bajo tensión térmica cuando la energía en un pulso transitorio (normalmente medido en julios ) es demasiado alta (es decir, excede significativamente la "Calificaciones máximas absolutas" del fabricante). La probabilidad de una falla catastrófica se puede reducir aumentando la clasificación o utilizando MOV especialmente seleccionados en paralelo. [12]
La degradación acumulativa se produce a medida que se producen más oleadas. Por razones históricas, muchos MOV se han especificado incorrectamente, lo que permite que las oleadas frecuentes también degraden la capacidad. [13] En esta condición, el varistor no está visiblemente dañado y exteriormente parece funcional (sin falla catastrófica), pero ya no ofrece protección. [14] Finalmente, pasa a una condición de cortocircuito 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 energética (julios). El aumento de la clasificación energética aumenta exponencialmente el número de impulsos transitorios (tamaño máximo definido) que puede acomodar, así como la suma acumulativa de energía procedente de la sujeción de impulsos menores. A medida que se producen estos pulsos, el "voltaje de sujeción" que proporciona durante cada evento disminuye y, por lo general, se considera que un varistor está funcionalmente degradado cuando su "voltaje 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 hacer predicciones de fallas basadas en la energía total disipada durante la vida útil de la pieza.
En la electrónica de consumo, en particular en los protectores contra sobretensiones , el tamaño del varistor MOV empleado es lo suficientemente pequeño como para esperar que eventualmente falle. [15] Otras aplicaciones, como la transmisión de energía, utilizan VDR de diferente construcción en múltiples configuraciones diseñadas para una larga vida útil. [dieciséis]
Los MOV se especifican según el rango de voltaje que pueden tolerar sin sufrir 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 (fijación). La clasificación energética a menudo se define utilizando transitorios estandarizados como 8/20 microsegundos o 10/1000 microsegundos, donde 8 microsegundos es el tiempo frontal del transitorio y 20 microsegundos es el tiempo hasta la mitad del valor.
La capacitancia típica para varistores de tamaño consumidor (7 a 20 mm de diámetro) está en el rango de 100 a 2500 pF. Se encuentran disponibles varistores más pequeños y de menor capacitancia con una capacitancia de ~1 pF para protección microelectrónica, como en los teléfonos celulares. Sin embargo, estos varistores de baja capacitancia no pueden soportar grandes sobrecorrientes simplemente debido a su tamaño compacto de montaje en PCB.
El tiempo de respuesta del MOV no está estandarizado. La afirmación de que la respuesta MOV es inferior a un nanosegundo se basa en el tiempo de respuesta intrínseco del material, pero se verá ralentizada por otros factores como la inductancia de los cables de los componentes y el método de montaje. [17] 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 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 del MOV están en el rango de 40 a 60 ns. [18]
Una regleta de protección contra sobretensiones típica se construye con MOV. Las versiones de bajo costo pueden usar solo un varistor, desde el conductor vivo (vivo, activo) hasta el conductor neutro. Un mejor protector contiene al menos tres varistores; uno a través de cada uno de los tres pares de conductores. [ cita necesaria ] En los Estados Unidos, un protector de regleta debe tener la aprobación de la tercera edición de Underwriters Laboratories (UL) 1449 para que una falla catastrófica de MOV no cree un riesgo de incendio. [19] [20]
Si bien un MOV está diseñado para conducir una cantidad significativa de energía durante períodos muy cortos (alrededor de 8 a 20 microsegundos), como los causados por rayos, normalmente 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 de la empresa pública pueden resultar en condiciones sostenidas de sobretensión. Los ejemplos incluyen una pérdida de un conductor neutro o líneas en cortocircuito en el sistema de alto voltaje. La aplicación de sobretensión sostenida a un MOV puede causar 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 sobretensiones y ha publicado boletines sobre el tema. [21]
Un fusible térmico conectado en serie es una solución a una falla catastrófica de MOV. También están disponibles varistores con protección térmica interna.
Hay varias cuestiones a tener en cuenta con respecto al comportamiento de los supresores de sobretensiones transitorias (TVSS) que incorporan MOV en condiciones de sobretensión. Dependiendo del nivel de corriente conducida, el calor disipado puede ser insuficiente para provocar una falla, pero puede degradar el dispositivo MOV y reducir su esperanza de vida. Si un MOV conduce una corriente excesiva, puede fallar catastróficamente a una condición de circuito abierto, manteniendo la carga conectada pero ahora sin ninguna protección contra sobretensiones. Es posible que un usuario no tenga indicios de que el supresor de sobretensiones haya fallado.
En las condiciones adecuadas de sobretensión e impedancia de línea, es posible que el MOV estalle en llamas, [22] la causa fundamental de muchos incendios [23], que es el principal motivo de preocupación de NFPA que dio lugar a UL1449 en 1986. y revisiones posteriores en 1998 y 2009. Los dispositivos TVSS correctamente diseñados no deben fallar catastróficamente, sino que deben provocar la apertura de un fusible térmico o algo equivalente que solo desconecte los dispositivos MOV.
Un MOV dentro de un supresor de sobretensiones transitorias (TVSS) no proporciona protección completa para los equipos eléctricos. En particular, no proporciona protección contra sobretensiones sostenidas que pueden provocar 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 proporciona protección al equipo contra sobretensiones de corriente de entrada (durante el arranque del equipo), sobrecorriente (creada por un cortocircuito) o caídas de voltaje ( caídas de tensión ); 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 propio equipo o externamente mediante medios como un UPS, un regulador de voltaje o un protector contra sobretensiones con protección contra sobretensiones incorporada (que normalmente consta de un circuito sensor de voltaje y un relé para desconectar la entrada de CA cuando el voltaje alcanza un umbral de peligro).
Otro método para suprimir picos de tensión es el diodo de supresión de tensión transitoria (TVS). Aunque los diodos no tienen tanta capacidad para conducir grandes sobretensiones como los MOV, los diodos no se degradan con sobretensiones más pequeñas y pueden implementarse con un "voltaje de fijación" más bajo. Los MOV se degradan por la exposición repetida a sobretensiones [24] y generalmente tienen un "voltaje de sujeción" más alto para que las fugas no degraden los 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. [25]
Otro tipo de supresor de transitorios es el supresor de tubo de gas. Este es un tipo de vía de chispas que puede usar aire o una mezcla de gases inertes 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.
Los dispositivos de varistor multicapa (MLV) brindan protección contra descargas electrostáticas a circuitos electrónicos de transitorios de energía baja a media en equipos sensibles que funcionan de 0 a 120 voltios CC. Tienen índices de corriente máxima de aproximadamente 20 a 500 amperios y índices de energía máxima de 0,05 a 2,5 julios. [ cita necesaria ]
