Warystor jest mały i niepozorny, ale świetnie sprawdza się w sytuacjach awaryjnych. Skutecznie chroni wrażliwe obwody elektroniczne przed nadmiernymi impulsami napięcia, takimi jak te spowodowane uderzeniem pioruna. Z naszego przewodnika dowiesz się, jak działają warystory. Podajemy również wskazówki dotyczące zakupu i użytkowania.
Termin „warystor” jest skrótem utworzonym z wyrażeń „zmienny rezystor” (ang. variable resistor).
Chociaż potencjometry i reostaty również zaliczają się do grupy zmiennych rezystorów, nazwa „warystor” odnosi się wyłącznie do rezystorów nieomowych.
Charakterystyczną cechą warystora jest zmiana jego oporu w zależności od przyłożonego napięcia. Z tego powodu nazywany jest również rezystorem zależnym od napięcia lub w skrócie VDR (ang. Voltage Dependent Resistor).
Warystor wyróżnia się nieliniową, nieomową charakterystyką prądowo-napięciową, która przypomina działanie diody. Jednak w odróżnieniu od diody przewodzi prąd w obu kierunkach, dzięki czemu może być stosowany również w obwodach prądu zmiennego.
Nowoczesne warystory są zwykle wytwarzane z ceramicznych materiałów na bazie spiekanych tlenków metali, które wykazują kierunkowe właściwości jedynie na poziomie mikroskopowym. Ten rodzaj warystorów określany jest mianem warystorów tlenkowych (MOV, ang. Metal Oxide Varistor). Ich struktura opiera się na masie ceramicznej złożonej z ziaren tlenku cynku osadzonych w matrycy zawierającej inne tlenki metali, takie jak bizmut, kobalt czy mangan, które znajdują się pomiędzy elektrodami.
Granica pomiędzy poszczególnymi ziarnami tworzy złącze o właściwościach przypominających diodę, co ogranicza przepływ prądu tylko w jednym kierunku.
Układ przypadkowo rozmieszczonych ziaren można przyrównać do sieci połączonych ze sobą diod ustawionych tyłem do siebie, z których każda para jest równoległa względem wielu innych par.
Jeśli do dwóch elektrod warystora zostanie przyłożone niskie napięcie, przepłynie tylko niewielki prąd, spowodowany odwrotnym upływem złącza diody. Przy wysokim napięciu złącze diody ulega przerwaniu, co zwiększa przepływ prądu. Rezultatem jest nieliniowa charakterystyka prądowo-napięciowa: wysoka rezystancja przy niskich napięciach i niska rezystancja przy wysokich napięciach.
Warystory są zazwyczaj wykorzystywane jako elementy sterujące lub kompensacyjne w układach elektronicznych. Ich zadaniem jest zapewnienie optymalnych warunków pracy lub ochrona przed nadmiernymi przepięciami. W roli zabezpieczenia odprowadzają prąd z wrażliwych komponentów, który powstaje w wyniku zbyt wysokiego napięcia i przekształcają go w ciepło.
W przypadku częstego narażenia warystora na przepięcia dochodzi jednak do zjawiska znanego jako kumulacyjna degradacja. Choć z zewnątrz warystor może wydawać się nieuszkodzony i nadal działać, to jego zdolność ochronna jest już ograniczona. Ostatecznie może dojść do stanu zwarcia, ponieważ rozładowania energii tworzą w warystorze przewodzący kanał przez warstwy tlenków.
W najgorszym scenariuszu, takim jak uderzenie pioruna, którego energia wielokrotnie przekracza możliwości elementu, prąd może doprowadzić do stopienia, spalenia lub nawet wyparowania warystora. Ryzyko awarii można jednak zmniejszyć, zwiększając znamionowe parametry urządzenia lub stosując równoległe połączenie specjalnie dobranych warystorów.
Warystor nie zapewnia jednak ochrony urządzeń przed prądami rozruchowymi, zwarciami ani spadkami napięcia. Wrażliwość urządzeń elektronicznych na takie zakłócenia można zredukować, stosując na przykład zasilacz awaryjny, regulator napięcia lub ochronnik przepięciowy z funkcją odcięcia zasilania.
Rodzaje i konstrukcje
Warystory są dostępne do klasycznego montażu przewlekanego (THT), a także w wersjach SMD. Popularne typy THT - znane również jako warystory płytkowe - są dostępne w średnicach 7, 10 i 14 milimetrów.
Napięcia i prądy
Urządzenia MOV są określane zgodnie z zakresem napięcia, które mogą tolerować bez uszkodzeń. Maksymalne dopuszczalne napięcia robocze wynoszą zazwyczaj od 5,5 do 750 V dla prądu stałego i od 11 do 625 V dla prądu przemiennego. W tych zakresach warystor praktycznie nie przewodzi prądu.
Napięcie warystora określa spadek napięcia podczas przepływu prądu o wartości jednego miliampera. Jest ono zawsze wyższe niż napięcie robocze i oznacza tzw. napięcie przebicia. Po przekroczeniu tego progu warystor zaczyna zamieniać dostarczoną energię na ciepło, działając podobnie do standardowego rezystora.
Należy pamiętać, że zbyt długie obciążenie – nawet trwające kilka sekund – może doprowadzić do całkowitego zniszczenia tego elementu. Progi dla tych prądów impulsowych wynoszą zwykle od 4 do 1800 woltów. Inne ważne parametry to energia wyjściowa warystora w (wyrażona w dżulach), czas reakcji oraz maksymalny prąd upływu.
Pojemność
Typowe pojemności mieszczą się w zakresie od 100 do 2500 pikofaradów. Mniejsze komponenty warystorowe są dostępne z pojemnością około jednego pikofarada dla mikroelektronicznych urządzeń ochronnych. Jednak warystory o niskiej pojemności nie są w stanie wytrzymać dużych prądów udarowych ze względu na ich kompaktowy rozmiar do montażu na płytce drukowanej.
Czas reakcji
Czas reakcji MOV nie jest znormalizowany. Założenie, że warystory reagują w zakresie poniżej nanosekund, opiera się na czasie reakcji materiału, ale jest on spowalniany przez inne czynniki, takie jak indukcyjność połączeń komponentów i metoda montażu. W przypadku bardzo szybkich stanów nieustalonych o czasie narastania krótszym niż jedna nanosekunda, czas reakcji warystora mieści się w zakresie od 40 do 60 nanosekund.
Nigdy nie wybieraj maksymalnego dopuszczalnego napięcia roboczego niższego niż podane w dokumentacji technicznej. Warystory ulegają szybkiemu starzeniu, jeśli są używane w zakresie, w którym częściowo przewodzą prąd. W takich przypadkach ich skuteczność jako zabezpieczenia przeciwprzepięciowego spada w krótkim czasie lub staje się niewystarczająca. Podobnie ważne jest odpowiednie dobranie nominalnego prądu upływu – lepiej zaplanować pewien margines bezpieczeństwa niż ryzykować zbyt sztywne dopasowanie.
Gdzie w układzie elektronicznym powinien znajdować się warystor?
Ponieważ warystory (MOV) są elementami przeznaczonymi do ochrony przed przepięciami, należy je montować przed cewką wejściową lub bezpośrednio przed chronionym obwodem. Tylko w ten sposób można skutecznie zabezpieczyć elektronikę przed krótkotrwałymi skokami napięcia.
Jak najprościej obliczyć wymaganą wartość napięcia warystora?
Ogólna zasada mówi, że napięcie zaciskowe warystora powinno być o 20–30% wyższe od normalnego napięcia zasilania obwodu. Dla napięcia stałego 10 V oznacza to wartość 12 lub 13 V. W przypadku napięć przemiennych, gdzie wartość szczytowa sinusoidy przewyższa wartość skuteczną, przy 10 V odpowiednia wartość napięcia warystora wynosiłaby 15 V. W razie wątpliwości warto wybrać wyższą wartość, ponieważ charakterystyka warystora może mieć łagodny przebieg.