Un varistor (también conocido como resistencia dependiente de voltaje (VDR) ) es un componente electrónico de protección 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 la misma característica para ambas direcciones de corriente transversal. 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 de óxido metálico cerámico sinterizado que exhiben un comportamiento direccional solo 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 una combinación de resistencia variable . El término solo 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, se originó en el trabajo de LO Grondahl y PH Geiger en 1927. [3]
El varistor de óxido de cobre exhibió una resistencia variable en función de la polaridad y la magnitud del voltaje aplicado. [4] Se construyó a partir de un pequeño disco de cobre, en un lado del cual se formó una capa de óxido cuproso. Esta disposición proporciona 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, con la resistencia instantánea variando 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 en el reemplazo de voluminosos circuitos de tubos electrónicos como moduladores y demoduladores en sistemas de corriente portadora para transmisión telefónica. [4]
Otras aplicaciones de los varistores en las centrales telefónicas incluían la protección de circuitos contra picos de tensión y ruido, así como la supresión de clics en los elementos del receptor ( auricular ) para proteger los oídos de los usuarios de los ruidos de estallido al conmutar circuitos. Estos varistores se construyeron colocando en capas un número par de discos rectificadores en una pila y conectando los extremos terminales y el centro en una configuración antiparalela, como se muestra en la foto de un varistor Western Electric Tipo 3B de junio de 1952 (abajo).
![Circuito de la 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 tradicional del varistor,[6] utilizado actualmente para el diac. Expresa el comportamiento similar al de 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 que utilizaba varistores que desviaban niveles relativamente altos de corriente de bucle en bucles cortos de la central para ajustar automáticamente los niveles de señal de transmisión y recepción. En bucles largos, los varistores mantenían una resistencia relativamente alta y no alteraban las señales de manera significativa. [7]
Otro tipo de varistor fue fabricado a partir de carburo de silicio (SiC) por RO Grisdale a principios de la década de 1930. Se utilizó para proteger las líneas telefónicas de los rayos. [8]
A principios de la década de 1970, los investigadores japoneses reconocieron las propiedades electrónicas semiconductoras del óxido de zinc (ZnO) como un nuevo tipo de varistor útil en un proceso de sinterización de cerámica , que exhibió una función de voltaje-corriente similar a la de un par de diodos Zener consecutivos . [9] [10] Este tipo de dispositivo se convirtió en el método preferido para proteger los circuitos de las sobrecargas de energía y otras perturbaciones eléctricas destructivas, y se conoció generalmente como el varistor de óxido metálico (MOV). La aleatoriedad de la 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 más común de varistor 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, fluye solo una pequeña corriente, causada por una fuga inversa a través de las uniones del diodo. Cuando se aplica un voltaje alto, la unión del diodo se rompe debido a una combinación de emisión termoiónica y tunelización de electrones , lo que da como resultado un gran flujo de corriente. El resultado de este comportamiento es una característica de corriente-voltaje no lineal, en la que el MOV tiene una alta resistencia a voltajes bajos y una baja resistencia a voltajes altos.
Un varistor permanece no conductor como dispositivo en modo shunt 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 utilizan normalmente para suprimir picos de voltaje de línea. Los varistores pueden fallar por cualquiera de dos razones.
Una falla catastrófica ocurre cuando no se logra limitar con éxito una sobretensión muy grande a partir de un evento como la caída de un rayo , donde la energía involucrada es muchos órdenes de magnitud mayor que la que el varistor puede manejar. La corriente de seguimiento resultante de un rayo puede derretir, quemar o incluso vaporizar el varistor. Este descontrol térmico se debe a una falta de conformidad en las uniones de límite de grano individuales, lo que conduce a la falla de las rutas de corriente dominantes bajo estrés térmico cuando la energía en un pulso transitorio (normalmente medido en julios ) es demasiado alta (es decir, excede significativamente los "Valores Máximos Absolutos" del fabricante). La probabilidad de una falla catastrófica se puede reducir aumentando el valor nominal o utilizando MOV especialmente seleccionados en paralelo. [12]
La degradación acumulativa se produce a medida que se producen más sobretensiones. Por razones históricas, muchos MOV se han especificado incorrectamente, lo que permite que las sobretensiones frecuentes también degraden la capacidad. [13] En esta condición, el varistor no está visiblemente dañado y parece funcional (no hay 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 parámetro principal que afecta la expectativa de vida del varistor es su clasificación de energía (Joule). Al aumentar la clasificación de energía, aumenta la cantidad de pulsos transitorios (tamaño máximo definido) que puede admitir de manera exponencial, así como la suma acumulada de energía de los pulsos menores de sujeción. A medida que se producen estos pulsos, el "voltaje de sujeción" que proporciona durante cada evento disminuye, y generalmente se considera que un varistor está funcionalmente degradado cuando su "voltaje de sujeción" ha cambiado en un 10%. Los gráficos de expectativa de vida del fabricante relacionan la corriente , la gravedad y la cantidad de transitorios para realizar 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 que se espere que falle con el tiempo. [15] Otras aplicaciones, como la transmisión de energía, utilizan VDR de diferente construcción en múltiples configuraciones diseñadas para una vida útil prolongada. [16]
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 (de bloqueo). La clasificación energética suele definirse utilizando transitorios estandarizados como 8/20 microsegundos o 10/1000 microsegundos, donde 8 microsegundos es el tiempo de inicio del transitorio y 20 microsegundos es el tiempo hasta la mitad del valor.
La capacitancia típica de los varistores de tamaño de consumo (7–20 mm de diámetro) está en el rango de 100–2500 pF. Hay varistores más pequeños y de menor capacitancia disponibles 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 corrientes de sobretensión simplemente debido a su tamaño compacto para montaje en PCB.
El tiempo de respuesta del MOV no está estandarizado. La afirmación de que la respuesta del MOV es de menos de 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 un tiempo suficiente para que el dispositivo se encienda lentamente. Cuando se somete a un transitorio muy rápido, con un tiempo de subida de <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 utilizando MOV. Las versiones de bajo costo pueden utilizar solo un varistor, desde el conductor activo hasta el neutro. Un mejor protector contiene al menos tres varistores; uno en cada uno de los tres pares de conductores. [ cita requerida ] Algunas normas exigen un esquema de triple varistor para que una falla catastrófica del MOV no genere un riesgo de incendio. [19] [20]
Si bien un MOV está diseñado para conducir una cantidad significativa de energía durante períodos muy breves (aproximadamente de 8 a 20 microsegundos), como los que causan los rayos, por lo general no tiene la capacidad de conducir energía de manera sostenida. En condiciones normales de voltaje de la red eléctrica, esto no es un problema. Sin embargo, ciertos tipos de fallas en la red eléctrica pueden generar condiciones de sobretensión sostenida. Algunos ejemplos incluyen la pérdida de un conductor neutro o líneas en cortocircuito en el sistema de alta tensión. La aplicación de una sobretensión sostenida a un MOV puede causar una alta disipación, lo que puede provocar que el dispositivo MOV se incendie. La Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA) ha documentado muchos casos de incendios catastróficos que han sido causados por dispositivos MOV en supresores de sobretensiones y ha emitido boletines sobre el tema. [21]
Un fusible térmico conectado en serie es una solución para una falla catastrófica de un MOV. También hay varistores con protección térmica interna.
Hay varias cuestiones que deben tenerse en cuenta en relación con el comportamiento de los supresores de picos de tensión transitorios (TVSS) que incorporan MOV en condiciones de sobretensión. Según el nivel de corriente conducida, el calor disipado puede ser insuficiente para provocar una falla, pero puede degradar el dispositivo MOV y reducir su expectativa de vida. Si un MOV conduce una corriente excesiva, puede fallar catastróficamente y convertirse en una condición de circuito abierto, manteniendo la carga conectada pero ahora sin ninguna protección contra picos. Es posible que un usuario no tenga ninguna indicación de que el supresor de picos haya fallado.
En las condiciones adecuadas de sobretensión e impedancia de línea, puede ser posible provocar que el MOV estalle en llamas, [22] la causa principal de muchos incendios [23] que es la razón principal de la preocupación de la NFPA que resultó en UL1449 en 1986 y revisiones posteriores en 1998 y 2009. Los dispositivos TVSS diseñados correctamente 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 picos de tensión transitorios (TVSS) no proporciona protección completa para el equipo eléctrico. En particular, no proporciona protección contra sobretensiones sostenidas que puedan provocar daños a dicho equipo y al dispositivo protector. Otras sobretensiones sostenidas y dañinas pueden ser menores y, por lo tanto, un dispositivo MOV las ignora.
Un varistor no protege al equipo contra picos de corriente de entrada (durante el arranque del equipo), sobrecorriente (creada por un cortocircuito) o caídas de tensión ( caídas de tensión ); no detecta ni afecta tales eventos. La susceptibilidad de los equipos electrónicos a estas otras perturbaciones de la energía eléctrica está definida por otros aspectos del diseño del sistema, ya sea dentro del propio equipo o externamente por medios como un SAI, un regulador de tensión o un protector de sobretensión con protección contra sobretensiones incorporada (que normalmente consiste en un circuito de detección de tensión y un relé para desconectar la entrada de CA cuando la tensión alcanza un umbral de peligro).
Otro método para suprimir picos de tensión es el diodo supresor de tensión transitoria (TVS). Aunque los diodos no tienen tanta capacidad para conducir picos grandes como los MOV, no se degradan con picos más pequeños y se pueden implementar con un "voltaje de sujeción" más bajo. Los MOV se degradan con la exposición repetida a picos [24] y generalmente tienen un "voltaje de sujeción" más alto, de modo que la fuga no degrada el 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 menor costo. [25]
Otro tipo de supresor transitorio es el supresor de tubo de gas. Este es un tipo de descargador de chispas que puede utilizar 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 constante 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 rayos ) sin una degradación significativa.
Los dispositivos varistores multicapa (MLV) brindan protección contra descargas electrostáticas a circuitos electrónicos contra transitorios de energía baja a media en equipos sensibles que operan a 0-120 voltios de CC. Tienen valores nominales de corriente pico de aproximadamente 20 a 500 amperios y valores nominales de energía pico de 0,05 a 2,5 julios. [ cita requerida ]
