Varistor'a Genel Bakış

November 4, 2016

hakkında en son şirket haberleri Varistor'a Genel Bakış

Varistor'a genel bakış

Güvenilir bir çalışma sağlamak için tasarım sürecinin ilk evrelerinde geçici gerilim bastırma işlemi düşünülmelidir. Elektronik bileşenler başıboş elektriksel geçici olaylara duyarlı oldukları için bu karmaşık bir görev olabilir. Tasarımcı, geçici tehdit türlerini tanımlamalı ve ürün ajansı norm ve standartlarını karşılarken ihtiyaç duyulan uygulamaları belirlemelidir.

Geçici aşırı gerilim koruması için ön hat çözümü olarak varistörler giderek daha fazla kullanılmaktadır. Littelfuse tasarımcıya uzmanlık sağlar ve en geniş dizi koruma teknolojilerini sunar.

Littelfuse varistor'lar geniş bir uygulama yelpazesine hizmet etmek için çeşitli formlarda bulunmaktadır. Seçenekler, küçük elektronik uygulamalar için ultra küçük yüzeyli çok tabakalı baskılayıcı (MLV) cihazları ve küçük makinelerin, güç kaynaklarının ve bileşenlerin korunması için geleneksel orta menzilli metal oksit varistörler (MOV'ler) ve eksenel metal oksit varistörleri içerir. Littelfuse, endüstriyel uygulamalar için daha büyük terminal montaj MOV'ları da sunmaktadır.

Littelfuse ürün grubuna daha yeni bir yenilik getiren MLV'ler , geçici voltaj spektrumunun belirli bir bölümünü ele alır - enerji kaybı daha düşük olmasına rağmen ESD, endüktif yük anahtarlama ve hatta yıldırım dalgalanma kalıntılarının aksine ulaştığı devre kartı düzeyi ortamı hassas entegre devreler. Bu olayların her biri, bir ürünün Elektromanyetik Uyumluluk (EMC) ya da hasara ya da arıza oluşturabilecek geçici ürünlere karşı olan bağışıklığı ile ilgilidir.

Littelfuse, yüksek veri hızları için MHS Serisi ESD Bastırıcı, en geniş uygulama yelpazesini destekleyen ML Serisi , filtre fonksiyonlarını sunarken ESD'ye yönelik MLE Serisi, 1206 ve 0805 yongasında MLN Serisi Dörtlü Array da dahil olmak üzere beş farklı MLV versiyonu sunmaktadır ve otomotiv elektronik sistemlerindeki spesifik geçici maddeler için karakterize edilen AUML Serisi.

Yüzeye monte edilebilir MOV (Metal Oksit Varistör) cihazları, SMT montaj işleminde gümrük işlemlerini kolaylaştırır ve PCB alanı sınırlamasını çözer. Bunlar lehimlenebilir reflow ve dalga olup CH , SM7 , SM20 , MLE , MHS , ML ve MLN serilerini içerir.

Geleneksel radyal delikli MOV (Metal Oksit Varistör) cihazları 5 mm, 7 mm, 10 mm, 14 mm, 20 mm ve 25 mm çaplarında mevcuttur. C-III , iTMOV, LA , TMOV, RA , UltraMOV , UltraMOV25S ve ZA serileri dahil olmak üzere çok çeşitli uygulamalar için voltaj dalgalanmaları koruması sağlamak için uygundurlar.

Çıplak disk varistörleri endüstriyel yüksek enerjili elementlerdir. Müşteriler tarafından istenen benzersiz elektrik teması veya ambalajlama yöntemleri gerektiren özel uygulamalar için tasarlanmıştır. CA Serisi geçici geçici gerilme bastırıcıları, müşterinin sunduğu eşsiz elektriksel temas veya ambalajlama yöntemleri gerektiren özel uygulamalar için tasarlanmış endüstriyel yüksek enerjili disk varistor'tur (MOV'lar).

Termal koruyucu Metal Oksit Varistörler (TMOV), UL 1449'un anormal aşırı voltaj gereksinimlerini karşılamak üzere tasarlanmıştır. Özel veya pahalı montaj işlemlerine ihtiyaç duymadan dalga lehimlenebilir ve iTMOV , TMOV , TMOV25S ve TMOV34S serilerini içerirler .

Endüstriyel yüksek enerjili varistörler normal MOV'lerden (Metal Oksit Varistörler) daha yüksek bir dalgalanma ve enerji derecesi sağlarlar ve aynı zamanda farklı montaj istekleri veya koşullarına uyacak şekilde çeşitli terminallere sahiptir. Bunlar BA , BB , CA , DA , HA , HB34 , HC , HF34 , HG34 , TMOV34S, UltraMOV25S, C-III, FBMOV ve TMOV25S serileridir.

Özel MOV'ler (Metal Oksit Varistörler), benzersiz form uygunluklarında mevcuttur ve çeşitli voltaj aralığı ve dalgalanma özelliklerine sahiptir. Bunlar arasında C-III, FBMOV, MA ve RA serileri bulunur.

Entegre varistörler , termal olarak harekete geçirilmiş entegre bir elemente sahip 40kA varistor yapı bloğundan (MOV) oluşur. Bu cihazlar, UL tarafından bağımsız bir Tip 1 SPD olarak tanınmaktadır.

Littelfuse FBMOV Serisi termal korumalı ve Non Fragmenting varistor, devre korumasında yeni bir gelişmeyi temsil eder. Anormal aşırı voltaj, sınırlı akım koşulları nedeniyle aşırı ısınma durumunda açılmak üzere tasarlanmış, termal olarak aktive olan entegre bir elemanlı 40kA varistor yapı bloğundan (MOV) oluşur.

PolySwitch cihazları için Littelfuse tesisleri ISO / TS 16949: 2009 ve ISO 9001: 2008 sertifikalıdır.

Aşırı Gerilim Bastırmasına Giriş

Voltaj geçişleri, kısa süreli elektrik enerjisi dalgalanmaları olarak tanımlanır ve daha önce depolanmış olan veya ağır endüktif yükler veya yıldırım çarpması gibi diğer yollarla indüklenen enerjinin ani bırakılmasının sonucudur. Elektrik veya elektronik devrelerde, bu enerji, kontrollü anahtarlama eylemleri vasıtasıyla öngörülebilir bir şekilde salınabilir veya harici kaynaklardan rasgele bir devreye indüklenebilir.

Tekrarlanabilir geçişler, motorların, jeneratörlerin veya reaktif devre elemanlarının değiştirilmesiyle sıklıkla meydana gelir. Rasgele geçici maddeler, genellikle Yıldırımdan (Şekil 1) ve Elektrostatik Deşarj'dan (ESD) kaynaklanır (Şekil 2). Yıldırım ve ESD genellikle öngörülemeyen bir şekilde meydana gelir ve özellikle devre kartı düzeyinde uyarılmış olması durumunda ayrıntılı bir şekilde ölçülmesini gerektirebilir. Çok sayıda elektronik standart grubu, kabul edilen izleme veya test yöntemlerini kullanarak geçici voltaj oluşumlarını analiz etmiştir. Çeşitli geçişlerin temel özellikleri aşağıda Tablo 1'de gösterilmektedir.

Figure_1._Lightning_Transient_Waveform

Şekil 1. Yıldırım Geçici Dalgaformu

VOLTAJ MEVCUT YÜKSELİŞ ZAMANI SÜRE
Aydınlatma 25kV 20kA 10μs 1 ms
Anahtarlama 600V 500A 50us 500 ms
EMP 1kV 10 A 20nS 1 ms
ESD 15kV 30A <1ns 100ns

Tablo 1. Geçici Kaynaklar ve Büyüklük Örnekleri

Geçici Gerilim Spike'larının Özellikleri

Geçici voltaj yükselmeleri genellikle şimşek için Şekil 1'de ve ESD için şekil 2'de gösterilen "çift üstel" dalga formu gösterir. Yıldırımın üstel yükselme süresi 1.2μs ila 10μs aralığında (esasen% 10 ila% 90) ve süre 50μs ila 1000μs aralığındadır (zirve değerlerinin% 50'si). Öte yandan ESD, çok daha kısa süreli bir etkinliktir. Yükseliş süresi 1ns'den az karakterizedir. Toplam süre yaklaşık 100ns'dir.

Figure_2._ESD_Test_Waveform

Şekil 2. ESD Test Dalga Formu

Neden Geçici Artan Endişe Var?

Komponent minyatürü, elektriksel gerilmelere karşı duyarlılığın artmasına neden oldu. Örneğin, mikroişlemcilerin, ESD geçişlerinden kaynaklanan yüksek akımları tutamayan yapılara ve iletken yollara sahip olması. Bu tür komponentler çok düşük voltajlarda çalışır, bu nedenle cihazın kesilmesini ve gizli veya ciddi felaketleri önlemek için voltaj bozuklukları kontrol edilmelidir. Mikroişlemciler gibi hassas cihazlar üstel bir oranda benimseniyor. Mikroişlemciler hiç hayal edilmemiş şeffaf işlemleri yapmaya başlıyorlar. Ev aletlerinde, örneğin bulaşık makineleri, endüstriyel kontroller ve oyuncaklar arasındaki her şey işlevselliği ve verimliliği artırmak için mikroişlemcilerin kullanımını arttırmıştır.

Araçlar şu anda motoru, iklimi, frenlemeyi ve bazı durumlarda direksiyon sistemleri kontrol etmek için birçok elektronik sistemi kullanmaktadır. Yeniliklerden bazıları verimliliği artırmak için tasarlanmıştır, ancak birçoğu ABS ve çekiş kontrol sistemleri gibi güvenlik ile ilgilitir. Cihazlarda ve otomobillerde bulunan birçok özellik, geçici tehditleri (elektrik motorları gibi) sunan modülleri kullanır. Genel çevre düşman değil, aynı zamanda ekipman veya cihaz tehditler kaynağı olabilir. Bu nedenle, dikkatli devre tasarımı ve aşırı gerilim koruma teknolojisinin doğru kullanımı, son uygulamadaki güvenilirliği ve güvenliği önemli ölçüde artıracaktır. Tablo 2, çeşitli bileşen teknolojilerinin zayıflığını göstermektedir.

Cihaz tipi Güvenlik Açığı (volt)
VMOS 30-1800
MOSFET 100-200
GaAsFET 100-300
EPROM 100
JFET 140-7000
CMOS 250-3000
Schottky Diyotları 300-2500
Bipolar Transistörler 380-7000
SCR 680-1000

TABLO 2. CİHAZ HASSASİYETİNİN ARALIĞI.

Geçici Voltaj Senaryoları

ESD (Elektrostatik Deşarj)

Elektrostatik deşarj, çok hızlı yükseltme süreleri ve çok yüksek tepe voltajları ve akımlarıyla karakterize edilir. Bu enerji nesneler arasındaki pozitif ve negatif yüklerin dengesizliğinin bir sonucudur.

Bağıl nem oranına (RH) bağlı olarak üretilebilecek gerilimlerin bazı örnekleri aşağıdadır:

  • Bir halı üzerinde yürürken:
    35kV @ RH =% 20; 1.5kV @ RH =% 65
  • Bir vinil zeminin üzerinden yürümek:
    12kV @ RH =% 20; 250V @ RH =% 65
  • Bir bankta çalışan işçi:
    6kV @ RH =% 20; 100V @ RH =% 65
  • Vinil zarflar:
    7kV @ RH =% 20; 600V @ RH =% 65
  • Masadan alınan poli çanta:
    20kV @ RH =% 20; 1.2kV @ RH =% 65

Bir önceki sayfada yer alan Tablo 2'ye bakıldığında, gündelik faaliyetlerle üretilen ESD'nin standart yarı iletken teknolojilerin güvenlik açığı eşiğini aşabileceği görülebilir. Şekil 2, IEC 61000-4-2 test belirtiminde tanımlanan ESD dalga biçimini göstermektedir.

İndüktif Yük Anahtarlama

İndüktif yüklerin değiştirilmesi, gittikçe ağır yüklerle birlikte büyüklüğe yükselen yüksek enerji geçişlerini üretir. İndüktif yük kapatıldığında, çöken manyetik alan elektrik enerjisine dönüştürülür ve bu da çift üstel geçici olarak gerçekleşir. Kaynağa bağlı olarak, bu geçişler 400ms'lik sürelerle yüzlerce volt ve yüzlerce Amper kadar büyük olabilir.

Tipik endüktif geçici kaynaklar şunlardır:

  • Jeneratör
  • Motor
  • Röle
  • transformatör

Bu örnekler elektrik ve elektronik sistemlerde son derece yaygındır. Yüklerin boyutları uygulamaya göre değiştiği için, dalga şekli, süresi, pik akımı ve tepe gerilimi, gerçek dünya geçicilerinde varolan değişkenlerdir. Bu değişkenler yaklaştırıldıktan sonra uygun bir bastırıcı teknoloji seçilebilir.

Figure_3._Automotive_Load_Dump

Şekil 3. Otomotiv Yük Döküm

Yıldırımdan Yararlanan Geçici Ürünler

Doğrudan bir grev açıkça tahrip ediciyse de, yıldırımdan kaynaklanan geçici akımlar direkt grev sonucu değildir. Bir yıldırım çarpması meydana geldiğinde, olay, yakınlardaki elektrik kablolarında büyük boyutların geçişini indükleyebilecek bir manyetik alan yaratır.

Şekil 4, bir bulut-bulut saldırısının sadece RHead kablolarını değil aynı zamanda gömülü kabloları nasıl etkileyeceğini göstermektedir. Hatta 1,6 km uzaktaki bir grev bile elektrik kablolarında 70V üretebilir.

Figure_4._Cloud-to-Cloud_Lightning_Strike

Şekil 4. Cloud-to-Cloud Yıldırım Strike

Bir sonraki sayfada yer alan Şekil 5, bulut-to-ground vuruşunun etkisini göstermektedir: Geçici üreten etki çok daha fazladır.

Figure_5._Cloud-to-Ground_Lightning_Strike

Şekil 5. Buluttan Buluta Şimşek Darbesi

Şekil 6, uyarılan yıldırım bozuklukları için tipik bir akım dalga formu göstermektedir.

Figure_6._Peak_Pulse_Current_Test_Waveform

Şekil 6. Pik Darbe Akım Testi Dalgaformu

Geçici Tehditler İçin Teknolojik Çözümler

Geçiş ve uygulama çeşitleri nedeniyle, bastırma çözümünü farklı uygulamalara doğru şekilde uydurmak önemlidir. Littelfuse, uygulamanız için uygun bir çözüm elde etmenizi sağlamak için en geniş devre koruma teknolojileri yelpazesini sunar. Http://www.littelfuse.com adresinde karşılaşılan ortak tasarım konuları hakkında daha fazla bilgi için lütfen çevrimiçi Uygulama Kitapları ve Tasarım Notları kütüphanemize başvurun.

Metal Oksit Varistörler ve Çok Katmanlı Varistörler

Varistörler geriye bağlı, geriye dönük Zener diyotlarına benzer elektriksel özelliklere sahip doğrusal olmayan cihazlardır. Öncelikle bizmut, kobalt, magnezyum ve diğerleri gibi diğer metal oksitlerin küçük eklemeleriyle birlikte ZNO'dan oluşurlar. Metal Oksit Varistör veya "MOV" imalat işlemi sırasında seramik yarı iletken haline getirilir ve MOV'ların cihazın tüm hacmi boyunca çok yüksek geçici enerji seviyelerini dağıtmasına izin veren kristalin bir mikro yapı ile sonuçlanır. Bu nedenle, MOV'ler tipik olarak endüstriyel veya AC hat uygulamalarında bulunan yıldırım ve diğer yüksek enerjili geçişlerin bastırılması için kullanılır. Buna ek olarak, MOV'ler düşük gerilim güç kaynakları ve otomobil uygulamaları gibi DC devrelerinde kullanılır. Üretim prosesi, radyal kurşunlu disk en yaygın olan birçok farklı form faktörüne izin verir.

Çok Katlı Varistörler veya MLV'ler, standart MOV'lara benzer Z N O malzemeden yapılır, ancak bunlar metal elektrotların birbirine dokunmuş katmanlarıyla imal edilir ve kurşunsuz seramik ambalajlarda tedarik edilir. Standart MOV'larda olduğu gibi, çoklu katmanlar nominal gerilim oranını aşan gerilime maruz kaldıklarında yüksek empedansa iletim durumuna geçer. MLV'ler çeşitli çip form boyutlarında oluşturulmuştur ve fiziksel boyutları için önemli dalgalanma enerjisine sahiptir. Böylece, veri hattı ve gç kaynağı bastırma işlemi tek bir teknolojiyle sağlanır.

Aşağıdaki parametreler Varistörler ve / veya Çok Katlı Varistörler için geçerlidir ve belirli bir uygulama için düzgün bir cihaz seçmek için devre tasarımcısı tarafından anlaşılmalıdır.

Varistor Teknolojisine Giriş

Varistor gövdesi yapısı PN ​​birleşim yarı iletken karakteristikleri sağlayan tane sınırları ile ayrılmış bir iletken Z N O tanelerinin bir matrisinden oluşur. Bu sınırlar, düşük voltajlarda iletimin engellenmesinden sorumludur ve daha yüksek voltajlarda doğrusal olmayan elektrik iletiminin kaynağıdır.

ŞEKİL 1. TİPİK VARISTOR VI KARAKTERİSTİK

Figure_1._Typical_Varistor_V-I_Characteristic

Şekil 1'de gösterilen simetrik ve keskin kırılma özellikleri, varistorun mükemmel geçici baskılama performansı sağladığını göstermektedir. Yüksek gerilim geçişlerine maruz kaldığında, varistor empedansı bir çok açık emreden bir dereceye kadar iletken bir seviyeye değişir ve böylece geçici voltajı emniyetli bir seviyeye sıkıştırır. Gelen geçici darbenin potansiyel olarak tahrip edici enerjisi varistör tarafından emilir ve böylece savunmasız devre bileşenleri korunur.

Elektrik iletimi, aslında, cihazın tümü boyunca dağılmış olan ZNO tanecikleri arasında gerçekleştiğinden, Littelfuse Varistörü doğal olarak, kendi Zener diyotları gibi tekli PN eklem karşıtlarından daha dayanıklıdır. Varistörde, enerji, cihazın gövdesi boyunca düzgün bir şekilde emilir ve elde edilen ısıtma, hacmi boyunca eşit şekilde yayılır. Elektriksel özellikler esas olarak, diskler, cipsler ve tüpler gibi çeşitli form faktörlerinde sinterlenmiş varistor gövdesinin fiziksel boyutlarıyla kontrol edilir. Enerji derecesi, hacim, kalınlık veya akım akış yolu uzunluğuna göre voltaj derecelendirmesi ve akım akışı yönüne normal olarak ölçülen alanla akım kapasitesi tarafından belirlenir.

Fiziki ozellikleri

MOV'lar, hassas devreleri harici geçici (şimşek) ve dahili geçici (endüktif yük anahtarlama, röle anahtarlama ve kapasitör deşarjları) karşı korumak için tasarlanmıştır. Otomotiv DC hat uygulamalarında bulunan ve 20A - 500A arasında değişen pik akım değerleri ve 0.05J - 2.5J arasında pik enerji derecelendirmesi bulunan endüstriyel, AC hat uygulaması veya daha düşük düzey geçici maddelerde bulunan diğer yüksek seviyeli geçici maddeler.

MOV'ın çekici bir özelliği, elektriksel özelliklerin cihazın hacmiyle ilişkili olmasıdır. Seramiğin her ZnO tanesi, tane sınırında bir yarı iletken kavşağı varmış gibi davranır. Materyalin kesit alanı, Şekil 2'de seramik mikroyapısını göstermektedir. Varistörler Çinko Oksit esaslı tozların seramik parçalara şekillendirilmesi ve sinterlenmesi ile imal edilir. Bu parçalar daha sonra kalın film Gümüş veya ark / alev püskürtme metal ile elektrodlanır.

ZnO tane sınırları açıkça gözlemlenebilir. Doğrusal olmayan elektriksel davranış, her yarı iletken ZnO tanesinin sınırında meydana geldiğinden, varistör, birçok sınır serisi ve tane sınırlarının paralel bağlantılarından oluşan bir "çok-kavşak" cihazı olarak düşünülebilir. Cihaz davranışı, seramik mikroyapının ayrıntılarına göre analiz edilebilir. Ortalama tane boyu ve tane boyutu dağılımı, elektriksel davranışta önemli rol oynamaktadır.

Figure_2._Optical_Photomicrograph_of_a_Polished_and_Etched_Section_of_a_Varistor

ŞEKİL 2. BİR VARISTANIN PARLATILMIŞ VE ETKİLENEN BÖLÜMÜNÜN OPTİK FOTOĞRAFÇILIĞI

Varistorlu Mikroyapı

Kontaktlar arasındaki varistörün hacmi, Şekil 3'teki şematik modelde gösterildiği gibi " d " ortalama boyutu olan ZnO taneciklerinden oluşur. ZnO'nun direnci <0.3 Ω-cm'dir.

Figure_3._Schematic_Depiction_of_the_Microstructure_of_a_Metal-Oxide_Varistor, _Grains_of_Conducting_ZnO_ (Average_Size_d) _are_Separated_by_Intergranular_Boundaries

ŞEKİL 3. A MİKRODENETİMİNİN ŞEMATİK BİLDİRİMİ
METAL OKSİT VARISTOR, ZnO İLACI TAHILLAR (ORTALAMA
ÖLÇÜDE d) İNTERGRANÜL SINIRLARIN AYRILANMASI GEREKİR.

Belirli bir nominal varistor voltajı (VN) için bir varistor tasarlamak, temel olarak uygun kalınlıkta tanelerin ( n ) elektrotlar arasında seri halinde olacak şekilde cihaz kalınlığını seçmek meselesidir. Uygulamada, varistor malzemesinin kalınlığı boyunca belirli bir volt / mm değeriyle ölçülen bir voltaj gradyanı ile karakterizedir. Bileşimi ve üretim koşullarını kontrol ederek gradyan sabit kalır. Elde edilebilir kalınlık aralığında pratik sınırlar olduğundan, birden fazla voltaj gradyan değeri istenir. Metal oksit katkılarının terkibini değiştirerek, " d " tane boyutunu değiştirmek ve istenilen sonuca ulaşmak mümkündür.

ZnO varistorunun temel özelliği, tahıllar arasındaki "birleşim" tek bir arabirimdeki gerilim düşüşünün neredeyse sabit olmasıdır. Bir dizi bileşim değişikliği ve işlem koşulları üzerindeki gözlemler, tane sınır birleşimine göre yaklaşık 2V-3V'luk sabit bir voltaj düşüşüne işaret etmektedir. Ayrıca, farklı boyutlardaki tahıllar için gerilim düşüşü değişmez. Bundan sonra, varistor voltajı malzemenin kalınlığı ve ZnO tanelerinin boyutu tarafından belirlenecektir. İlişki çok basitçe şöyle belirtilebilir:

Varistörler-Teknoloji-Denklem-1

Varistör voltajı ( V N ), geçişin ( v ) düşük seviyeli doğrusal bölgeden son derece doğrusal olmayan bölgeye kadar olduğu VI karakteristiği noktasındaki bir varistör üzerindeki gerilim olarak tanımlanır. Standart ölçüm amaçları için, keyfi olarak 1mA'lık bir akımdaki voltaj olarak tanımlanır. Littelfuse Varistörlerin bazı tipik boyut değerleri Tablo 1'de verilmektedir.

TABLO 1.

VARISTOR VOLTAJI ORTALAMA TAHIL BOYUTU n GRADYAN CİHAZ KALINLIĞI
Volt MİKRONDAN V / mm AT 1mA aa
150V RMS 20 75 150 1.5
25V RMS 80 (Not) 12 39 1.0

NOT: Alçak gerilim formülasyonu.

Operasyon teorisi

Metal oksit yarı iletken varistörlerin polikristal yapısı nedeniyle, cihazın fiziksel çalışması geleneksel yarı iletkenlerden daha karmaşıktır. Yoğun ölçüm, cihazın elektriksel özelliklerinin çoğunu belirledi ve varistorun çalışmasını daha iyi tanımlamak için çok çaba harcamaya devam ediyor. Bununla birlikte, kullanıcının bakış açısından, bu, cihazın yapısıyla ilgili oldukları temel elektrik özelliklerini anlama kadar önemli değildir.

Metal oksit varistor işlemini açıklayan anahtar, tane sınırlarının yakınında oluşan elektronik olguları veya Z N O taneleri arasındaki bağlantı noktalarını anlamaktır. İlk teoriden bazıları, elektronik tünel oluşumunun tane sınırlarında yalıtkan bir ikinci faz tabakası yoluyla gerçekleştiğini varsaymakla birlikte, varistor işlemi, yarı iletken diyotların seri-paralel bir düzeneği ile daha iyi tanımlanabilir. Bu modelde, tanecik sınırları n-tipi yarı iletken ZNO tanelerinden serbest elektronları yakalayan kusur durumlarını içerir ve böylece tane sınırlarına bitişik bölgedeki ZnO tanelerinde bir boşluk yük boşaltma tabakası oluşturur. (Bu bölümün son sayfasındaki referans notlara bakın).

Varistordaki tükenme tabakaları için kanıt, Sınır Karesi için kapasitansın tersinin sınır başına uygulanan gerilime karşı çizildiği Şekil 4'te gösterilmiştir. Bu, gözlemlenen taşıyıcı konsantrasyonunun ( N) , cm3 başına yaklaşık 2 x 1017 olduğu tespit edilen davranışın aynısıdır. Buna ek olarak, tükenme tabakasının genişliği yaklaşık 1000 Angstrom birimi olarak hesaplandı. Tekli kavşak çalışmaları da diyot modelini desteklemektedir.

Taşıyıcıların serbest dolaşımını engelleyen bu boşaltma tabakalarıdır ve Şekil 5'de gösterildiği gibi kaçak bölgedeki düşük voltaj yalıtım davranışından sorumludur. Kaçak akımı, alan düşürülmüş bariyer boyunca taşıyıcıların serbest akışından kaynaklanır ve termik olarak aktive edilmiş, en azından yaklaşık 25 ° C'nin üstünde. Yarı iletken ani PN birleşim diyotları için. İlişki:

Varistors_Technology_Equation_2

Nerede:
(Vb) = bariyer voltajı,
(V) = uygulanan voltaj,
(q) = elektron yükü,
(es) = yarı iletken geçirgenlik ve
(N) = taşıyıcı konsantrasyon.
Bu ilişkiden, ZnO taşıyıcı konsantrasyonunun N , cm3 başına yaklaşık 2 x 10 17 olduğu tespit edildi.

Buna ek olarak, tükenme tabakasının genişliği yaklaşık 1000 Angstrom birimi olarak hesaplandı. Tekli kavşak çalışmaları da diyot modelini desteklemektedir.

Figure_4._Capacitance-Voltage_Behavior_of_Varisotr_Resembles_a_Semiconductor_Abrupt-Junction_Reversed_Biased_Diode

ŞEKİL 4. VARİSTÖRÜN KAPASİTASYON-GERİLİM DAVRANIŞI
YARI İLETKENLİ AÇIK-İŞLEV TERS BÜTÜNLÜK
BESLENEN DIODE Nd2x1017 / cm3

Şekil 5, bir ZnO-tanecik sınır-ZnO birleşiminin bir enerji band diyagramını göstermektedir. Sol tahıl ileri doğru önyargılı, V L ve sağ taraf ters VR'ye eğilimlidir. Boşluk tabakası genişlikleri XL ve XR'dir ve ilgili bariyer yükseklikleri fL ve fR'dir. Sıfır önyargılı bariyer yüksekliği f O'dır . Voltaj önyargı arttıkça f L azalır ve f R artar, böylece bariyerin düşmesi ve iletim artışı sağlanır.

Düşük voltajlı varistörün bariyer yüksekliği f L , uygulanan voltajın bir fonksiyonu olarak ölçülür ve Şekil 6'da sunulmuştur. Yüksek voltajdaki bariyerdeki hızlı düşüş doğrusal olmayan iletinin başlangıcını temsil eder.

Figure_5._Energy_Band_Diagram_of_a_ZnO-Grainboundary-ZnO_Junction

ŞEKİL 5. A ZnO-GRAINBOUNDARY-ZnO JONKSİYONUNUN ENERJİ BAND DİYAGRAMI

Figure_6._Thermal_Barrier_vs_Applied_Voltage

ŞEKİL 6. TERMİK BARİYER ile UYGULAMALI VOLTAJ

Doğrusal olmayan bölgedeki taşıma mekanizmaları çok karmaşıktır ve halen aktif araştırma konusudır. Çoğu teori, ilham nakavtını yarı iletken nakil teorisinden alır ve bu belgede ayrıntılı olarak açıklanmamıştır.

Varistör İnşaatı

Bir Littelfuse Varistor imal etme işlemi, Şekil 7'deki akış şemasında gösterilmiştir. Başlangıç ​​malzemesi, ürünün voltaj aralığını kaplamak için katkı oksitlerinin bileşiminde farklılık gösterebilir.

Figure_7._Schematic_Flow_Diagram_of_Littelfuse_Varistor_Fabrication

ŞEKİL 7. LİTELFÜZ VARISTOR FABRİKASYONUNUN ŞEMATİK AKIŞ GRAFİĞİ

Basma işleminde cihaz özellikleri belirlenir. İstenen nominal voltaj değerini elde etmek için toz önceden belirlenmiş bir kalınlıkta preslenir. İstenen pik ve enerji kapasitesini elde etmek için elektrot alanı ve cihazın kütlesi değişir. Disk ürün tekliflerinde elde edilebilen çapların aralığı burada listelenmiştir:

Nominal Disk
Çap mm
3 5 7 10 14 20 32 34 40 62

Tabii ki, dikdörtgenler gibi diğer şekiller, pres kalıplarını değiştirerek de mümkündür. Farklı seramik imalat teknikleri farklı şekillerde yapılabilir. Örneğin, çubuklar veya borular, ekstrüde edilerek ve uzunluğa kesilerek yapılır. Şekillendirmeden sonra, yeşil (yani, ateşlenmemiş parçalar) bir fırın içine yerleştirilir ve 1200 ° C'yi aşan zirve sıcaklıklarında sinterlenir. B izmit oksit, 825 ° C'nin üzerinde eritilir ve polikristalin seramiğin yoğunlaşmasına yardımcı olur. Daha yüksek sıcaklıklarda, tane büyümesi meydana gelir ve kontrollü tane boyutu olan bir yapı oluşturur.

Radyal ve talaşlı cihazlar için, seramik yüzeye ateşlenen kalın film gümüş ile elektrod gerçekleştirilir. Daha sonra tel iletkenleri veya kayış terminalleri yerine lehimlenir. Uçları eksenel 3mm disklere bağlamak için iletken bir epoksi kullanılır. Daha büyük endüstriyel cihazlar (40mm ve 60mm çaplı diskler için) temas eden materyal, lehimlenebilir bir yüzey vermek için gerekirse Bakır püskürtülür ve Al püskürtülür.

Çeşitli Littelfuse Varistor paketlerinin montajında ​​birçok kapsülleme tekniği kullanılır. Çoğu radyal ve bazı endüstriyel cihazlar (HA Serisi), akışkan yatakta epoksi kaplamalı iken epoksi eksenel cihaz üzerinde "bükülür".

Radyal maddeler, ıslak bir proses kullanılarak uygulanan fenolik kaplamalar ile de mevcuttur. PA Serisi paketi, 20 mm'lik bir disk alt montajı etrafında kalıplanmış plastikten oluşur. RA, DA ve DB Serisi cihazların tümü, epoksi ile dolu kalıplanmış bir plastik kabuk içine konulmuş, sekmeler veya uçlar bulunan disklerden veya cipslerden oluştuğu için benzerdir. Farklı paket stilleri, mekanik montajda olduğu kadar enerji derecelerinde değişiklik yapmaya da izin verir.

TABLO 2. TARAFLI SERAMİK BOYUTLAR

PAKETİ
TİP
DİZİ SERAMİK BOYUTLAR
Kurşunsuz Yüzeye Monte CH, AUML †, ML †, MLE †, MLN † Serisi 5mm x 8mm Talaş, 0603, 0805, 1206, 1210, 1812, 2220
Eksenel Kurşunlu MA Serisi 3mm Çaplı Disk
Radyal Kurşunlu ZA, LA, C-III, TMOV®,
i TMOV ® , UltraMOV , TMOV25S ® Serisi
5mm, 7mm, 10mm, 14mm, 20mm Çap Diskler
Kutulu, Düşük Profil RA Serisi 5 mm x 8 mm, 10 mm x 16 mm, 14 x 22 cips
Endüstriyel Paketler BA, BB Serisi
DA, DB Serisi
DHB Serisi
HA, HB Serisi
HC, HF Serisi
HG Serisi
32mm, 40mm Çap Disk, 34mm Kare Disk, 40mm Çaplı Disk, 60mm Çaplı Disk
Endüstriyel Diskler CA Serisi 60mm Çaplı Diskler

Şekil 9A, 9B ve 9C (aşağıda) bazı Littelfuse varistor paketlerinin yapım detaylarını göstermektedir. Seramiğin boyutları, paket tipine göre Tablo 2'de verilmiştir.

Figure_9A._Cross-Section_of_MA_Series

ŞEKİL 9A. MA SERİSİ'NİN ÇAPOR-BÖLÜMÜ

Figure_9B._Cross-Section_of_Radial_Lead_Package

ŞEKİL 9B. RADYAL KURŞUN PAKETİNİN ÇAPRAZI-BÖLÜMÜ

Figure_9C._Pictorial_View_of_High_Energy_DA, _DB_and_BA-BB_Series

ŞEKİL 9C. YÜKSEK ENERJİ DA, DB VE BA / BB SERİSİ RESİM GÖRÜNÜMÜ

Elektriksel Karakterizasyon Varistör VI Özellikleri

Şekil 10'daki yüksek akımlı toparlanma bölgesine dönersek VI davranışının ohmik bir karaktere yaklaştığını görüyoruz. Sınırlandırıcı direnç değeri, yarı iletken ZnO tanelerinin vücudunun elektrik iletkenliğine bağlıdır ve taşıyıcı konsantrasyonları cm 3 başına 10 17 ila 10 18 arasındadır. Bu, ZnO direncini 0.3Ωcm'nin altına düşürürdü.

Figure_10._Typical_Varistor_V-I_Curve_Plotted_On_Log-Log_Scale

ŞEKİL 10. LOG-LOG ÖLÇEKLİ ÜZERİNE TİP VARISTOR VI EĞRĞCÜ

Varistör elektriksel özellikleri, VI eğrisinin geniş aralığını göstermek için log-log formatı kullanılarak rahatlıkla görüntülenir. Günlük formatı ayrıca doğrusal olmayanlığı seçilen geçerli ölçeğe oranla abartmaya eğilimli olan doğrusal bir sunumdan daha nettir. Tipik bir VI karakteristik eğrisi Şekil 10'da gösterilmektedir. Bu grafik, üç farklı elektriksel operasyon bölgesini göstermek için normalde varistor veri sayfalarında bulunanlardan daha geniş bir aralık göstermektedir.

Eşdeğer Devre Modeli

Varistör için bir elektriksel model, Şekil 11'deki basitleştirilmiş eşdeğer devre ile gösterilebilir.

Figure_11._Varistor_Equivalent_Circuit_Model

ŞEKİL 11. VARİSTANS EŞDEĞER DEVRESİ MODELİ

Sızdıran Operasyon Bölgesi

Düşük akım seviyelerinde, VI Eğrisi doğrusal (ohmik) bir yaklaşıma yaklaşır ve belirgin sıcaklık bağımlılığı gösterir. Varistor yüksek direnç modundadır (10 9 Ω'a yaklaşmaktadır) ve açık devre olarak görünür. Doğrusal olmayan direnç bileşeni ( R X ) göz ardı edilebilir, çünkü paralel ( R OFF ) baskın olur. Ayrıca, ( R ON ), ( R OFF ) ile karşılaştırıldığında önemsiz olacaktır.

Figure_12._Equivalent_Circuit_at_Low_Currents

ŞEKİL 12. DÜŞÜK AKIMLARDA EŞDEĞER DEVRE

Belirli bir varistor aygıtı için kapasitör, sızıntı bölgesinde geniş voltaj ve frekans aralığında sabit kalır. Varistora voltaj uygulandığında kapasitans değeri düşer. Gerilim anma varistor voltajına yaklaştığında kapasitans azalır. Kapasitans, 100 kHz'e kadar frekans değişimi ile neredeyse sabit kalır. Benzer şekilde, sıcaklık değişimi küçüktür, kapasitansın 25 ° C değeri de -40 ° C ila + 125 ° C arasında +/-% 10'dur.

Sızıntı bölgesindeki VI karakteristik eğrisinin sıcaklık etkisi Şekil 13'te gösterilmektedir. Farklı bir sıcaklık bağımlılığı kaydedilmiştir.

Figure_13._Temperature_Dependence_of_the_Characteristic_Curve_in_the_Leakage_Region

ŞEKİL 13. SIZINDIRMA BÖLGESİNİN KARAKTERİSTİK EĞRİSİNİN SICAKLIK BAĞIMSIZIĞI

Sızıntı akımı (I) ile sıcaklık (T) arasındaki ilişki

Varistors_Technology_Equation_3

Sıcaklık değişimi, aslında, ( R OFF ) değişikliğine karşılık gelir. Bununla birlikte, ( R OFF ) yüksek sıcaklıklarda bile yüksek direnç değerinde kalır. Örneğin, 125 ° C'de halen 10MΩ ila 100MΩ arasında değişmektedir.

( R OFF ) yüksek bir direnç olmasına rağmen frekansa göre değişir. İlişki, ters frekansla yaklaşık olarak doğrusaldır.

Bununla birlikte, ( R KAPALI ) ve ( ° C ) paralel kombinasyonu ağırlıklı olarak ilgili frekansta kapasitiftir. Bunun nedeni, kapasitif reaktansın da 1 / f ile yaklaşık olarak lineer olarak değişmesidir.

Yüksek akımlarda, mA aralığında ve üstünde, sıcaklık değişimi en düşük seviyeye iner. Sıcaklık katsayısının grafiği ( dV / dT ) Şekil 14'te verilmiştir. Sıcaklık katsayısının negatif (-) olduğu ve akım yükseldikçe azaldığı kaydedilmelidir. Varistörün kıvırma gerilimi aralığında ( I> 1A ) sıcaklık bağımlılığı sıfıra yaklaşır.

Figure_14._Relation_of_Temperature_Coefficient_DV / DT_to_Varistor_Current

ŞEKİL 14. SICAKLIK ÖNEMLİ DV / DT'nin VARISTORA AKIMI İLE İLİŞKİSİ

Nominal Varistör Çalışma Bölgesi

Varistör karakteristiği denklemi takip eder:

I = kV a , burada ( k ) sabittir ve üstel ( a ) doğrusal olmayanlık derecesini tanımlar. Alfa iyi bir değerdir ve VI eğrisinin eğiminden belirlenebilir veya aşağıdaki formülden hesaplanabilir:

Varistor_Technology_Equation_4

Bu bölgede varistor iletken ve R X C , R ON ve R OFF üzerinde baskın olacak. R X , R OFF'dan çok az büyüklük sırası olur, ancak R ON'dan daha büyük kalır.

Figure_15._Equivalent_Circuit_at_Varistor_Conduction

ŞEKİL 15. VARISTOR İLETKENLİĞİNDE EŞDEĞER DEVRE

İletkenlik esnasında, varistör voltajı, birkaç büyüklükteki akımdaki bir değişim için nispeten sabit kalır. Gerçekte, cihaz direnci, RX , akıma cevap olarak değişiyor. Bu, statik veya dinamik direnci akımın bir fonksiyonu olarak inceleyerek gözlemlenebilir. Statik direnç şu şekilde tanımlanır:

Varistor_Technology_Equation_5

Şekil 16A ve 16B'de tipik direnç değerleri ile akım ( I ) arasındaki çizimler verilmiştir.

Figure_16A._Rx_Static_Varistor_Resistance_Figure

ŞEKİL 16A. R X STATİK VARISTOR'a Direnç ŞEKİLİ

Figure_16B._Zx_Dynamic_Varistor_Resistance

ŞEKİL 16B. Z X DİNAMİK VARİSTANS DAYANIMLIK

Upturn Operasyon Bölgesi

Yüksek akımlarda, maksimum değere yaklaşırken, varistor kısa devreye yaklaşır. Eğri, doğrusal olmayan ilişkiden ayrılır ve yaklaşık 1Ω-10Ω'luk materyal yığın direncinin değerine yaklaşır. Yükseliş, R X , R ON değerine yaklaştığında gerçekleşir. Direnç R ON , Z N O tahıllarının yığın direncini gösterir. This resistance is linear (which appears as a steeper slope on the log plot) and occurs at currents 50A to 50,000A, depending on the varistor size.

Figure_17._Equivalent_Circuit_At_Varistor_Upturn

FIGURE 17. EQUIVALENT CIRCUIT AT VARISTOR UPTURN

Speed of Response and Rate Effects

The varistor action depends on a conduction mechanism similar to that of other semiconductor devices. For this reason, conduction occurs very rapidly, with no apparent time lag – even into the nanosecond (ns) range. Figure 18, shows a composite photograph of two voltage traces with and without a varistor inserted in a very low inductance impulse generator. The second trace (which is not synchronized with the first, but merely superimposed on the oscilloscope screen) shows that the voltage clamping effect of the varistor occurs in less than 1.0 ns.

Figure_18._Response_of_a_ZnO_Varistor_to_a_Fast_Rise_Time_(500ps)_Pulse

FIGURE 18. RESPONSE OF A ZnO VARISTOR TO A FAST RISE TIME (500ps) PULSE

In the conventional lead–mounted devices, the inductance of the leads would completely mask the fast action of the varistor; therefore, the test circuit for Figure 18, required insertion of a small piece of varistor material in a coaxial line to demonstrate the intrinsic varistor response.

Tests made on lead– mounted devices, even with careful attention to minimizing lead length, show that the voltages induced in the loop formed by the leads contribute a substantial part of the voltage appearing across the terminals of a varistor at high current and fast current rise. Fortunately, the currents which can be delivered by a transient source are invariably slower in rise time than the observed voltage transients. The applications most frequently encountered for varistors involve current rise times longer than 0.5μs.

Voltage rate-of-rise is not the best term to use when discussing the response of a varistor to a fast impulse (unlike spark gaps where a finite time is involved in switching from nonconducting to conducting state). The response time of the varistor to the transient current that a circuit can deliver is the appropriate characteristic to consider.

The VI characteristic of Figure 19A, shows how the response of the varistor is affected by the current waveform. From such data, an "overshoot" effect can be defined as being the relative increase in the maximum voltage appearing across the varistor during a fast current rise, using the conventional 8/20μs current wave as the reference. Figure 19B, shows typical clamping voltage variation with rise time for various current levels.

FIGURE 19. RESPONSE OF LEAD-MOUNTED VARISTORS TO CURRENT WAVEFORM

Figure_19A._V-I_Characteristics_for_Various_Current_Rise_Times

FIGURE 19A. VI CHARACTERISTICS FOR VARIOUS CURRENT RISE TIMES

Figure_19B._Overshoot_Defined_With_Reference_To_The_Basic_8/20_Current_Pulse

FIGURE 19B. OVERSHOOT DEFINED WITH REFERENCE TO THE BASIC 8/20?s CURRENT PULSE

How to Connect a Littelfuse Varistor

Transient suppressors can be exposed to high currents for short durations in the nanoseconds to millisecond time frame.

Littelfuse Varistors are connected in parallel to the load, and any voltage drop in the leads to the varistor will reduce its effectiveness. Best results are obtained by using short leads that are close together to reduce induced voltages and a low ohmic resistance to reduce I • R drops.

Single Phase

Figure_23.

FIGURE 23.

This is the most complete protection one can select, but in many cases only Varistor 1 or Varistor 1 and 2 are selected.

Figure_24.

FIGURE 24.

Three Phase

Figure_24A._3_Phase_220V_380V,_Ungrounded

FIGURE 25A. 3 PHASE 220V/380V, UNGROUNDED

Figure_25B._3_Phase_220V_or_380V,_Ungrounded

FIGURE 25B. 3 PHASE 220V OR 380V, UNGROUNDED

Figure_25C._3_Phase_220V,_One_Phase_Grounded

FIGURE 25C. 3 PHASE 220V, ONE PHASE GROUNDED

Figure_25D._3_Phase_220V

FIGURE 25D. 3 PHASE 220V

Figure_25E._3_Phase_120V_208V,_4-Wire

FIGURE 25E. 3 PHASE 120V/208V, 4-WIRE

Figure_25F._3_Phase_240V_415V

FIGURE 25F. 3 PHASE 240V/415V

For higher voltages use same connections, but select varistors for the appropriate voltage rating.

DC Application

DC applications require connection between plus and minus or plus and ground and minus and ground.

For example, if a transient towards ground exists on all 3 phases (common mode transients) only transient suppressors connected phase to ground would absorb energy. Transient suppressors connected phase to phase would not be effective.

Figure_26._Common_Mode_Transient_and_Correct_Solution

FIGURE 26. COMMON MODE TRANSIENT AND CORRECT SOLUTION

On the oth