Varistor

Un varistor (también conocido como resistor 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 corriente-voltaje no lineal y no óhmica similar a la de un diodo . Sin embargo, a diferencia de un diodo, tiene la misma característica para ambas direcciones de paso de la corriente. Tradicionalmente, los varistores se construían conectando dos rectificadores , como el rectificador de óxido de cobre o el 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 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 de funcionamiento óptimas o para proteger contra sobretensiones transitorias excesivas . Cuando se utilizan como dispositivos de protección, desvían la corriente generada por la sobretensión, alejándola de los componentes sensibles al activarse.

El término varistor es una combinación de las palabras « resistencia variable» (variing resistance ). Este término se utiliza únicamente 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 ]} Estaba construido a partir de un pequeño disco de cobre, en una de cuyas caras se formó una capa de óxido cuproso. Esta disposición proporciona baja resistencia a la corriente que fluye desde el óxido semiconductor hacia el lado del cobre, pero alta resistencia a la corriente en la dirección opuesta, con una resistencia instantánea que varía continuamente con el voltaje aplicado.

En la década de 1930, pequeños conjuntos de varistores múltiples con una dimensión máxima de menos de una pulgada y una vida útil aparentemente indefinida encontraron aplicación en el reemplazo de los voluminosos circuitos de tubos electrónicos como moduladores y demoduladores en sistemas de corriente portadora para la transmisión telefónica. ^{[ 4 ]}

Otras aplicaciones de los varistores en las redes telefónicas incluían la protección de los circuitos contra picos de tensión y ruido, así como la supresión de clics en los auriculares para proteger los oídos de los usuarios de los chasquidos al cambiar de circuito. Estos varistores se construían apilando un número par de discos rectificadores y conectando los extremos de los terminales y el centro en configuración antiparalela, como se muestra en la foto de un varistor Western Electric Tipo 3B de junio de 1952 (abajo).

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  Varistor Western Electric 3B fabricado en 1952 para su uso como supresor de clics en teléfonos.
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  Circuito de la construcción tradicional de varistores utilizados como supresores de clics en telefonía ^{[ 5 ]}
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  Símbolo esquemático tradicional del varistor, ^{[ 6 ]} utilizado hoy en día para el diac . Expresa el comportamiento similar al de un diodo en ambas direcciones del flujo de corriente.
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  Varistor Western Electric tipo 44A para la supresión de clics, montado en un elemento receptor telefónico U1 fabricado en 1958.

El teléfono Western Electric tipo 500 de 1949 introdujo un circuito de ecualización de bucle dinámico que utilizaba varistores que derivaban niveles relativamente altos de corriente de bucle en bucles cortos de central telefónica para ajustar automáticamente los niveles de señal de transmisión y recepción. En bucles largos, los varistores mantenían una resistencia relativamente alta y no alteraban significativamente las señales. ^{[ 7 ]}

Otro tipo de varistor fue fabricado con carburo de silicio (SiC) por RO Grisdale 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 para un nuevo tipo de varistor en un proceso de sinterización cerámica , que exhibía una función de voltaje-corriente similar a la de un par de diodos Zener en serie . ^{[ 9 ] [ 10 ]} Este tipo de dispositivo se convirtió en el método preferido para proteger los circuitos de sobretensiones y otras perturbaciones eléctricas destructivas, y se conoció generalmente como varistor de óxido metálico (MOV). La orientación aleatoria de los granos de ZnO en el volumen de este material proporcionaba las mismas características de voltaje-corriente para ambas direcciones de flujo de corriente.

El tipo más común de varistor moderno 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 diodo , 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 conectados en serie, cada par en paralelo con muchos otros pares. ^{[ 11 ]}

Cuando se aplica un voltaje pequeño a través de los electrodos, fluye una corriente mínima debido a la fuga inversa a través de las uniones del diodo. 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 flujo de corriente grande. El resultado de este comportamiento es una característica corriente-voltaje no lineal, en la que el MOV presenta una alta resistencia a bajos voltajes y una baja resistencia a altos voltajes.

Tensión nominal

Los varistores de óxido metálico (MOV) se especifican según el rango de voltaje que pueden tolerar sin sufrir daños. Otros parámetros importantes son la energía nominal del varistor en julios, el voltaje de operación, el tiempo de respuesta, la corriente máxima y el voltaje de ruptura (o de sujeción). La energía nominal se define a menudo mediante 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 para alcanzar la mitad de su valor.

Una regleta protectora contra sobretensiones típica se construye con varistores de óxido metálico (MOV). Las versiones económicas pueden usar solo un varistor, desde el conductor de fase (activo) hasta el neutro. Un protector de mayor calidad contiene al menos tres varistores; uno en cada uno de los tres pares de conductores. Algunas normas exigen un sistema de triple varistor para evitar que una falla catastrófica del MOV provoque un incendio. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

Si bien un varistor (MOV) está diseñado para conducir una potencia significativa durante periodos muy cortos (de aproximadamente 8 a 20 microsegundos), como los causados ​​por rayos, normalmente no tiene la capacidad de conducir energía de forma sostenida. En condiciones normales de tensión de la red eléctrica, esto no representa un problema. Sin embargo, ciertos tipos de fallas en la red eléctrica pueden provocar sobretensiones sostenidas. Algunos ejemplos incluyen la pérdida de un conductor neutro o cortocircuitos en las líneas del sistema de alta tensión. La aplicación de sobretensión sostenida a un varistor puede causar una alta disipación, lo que podría provocar que el dispositivo se incendie. La Asociación Nacional de Protección contra Incendios (NFPA) ha documentado numerosos casos de incendios catastróficos causados ​​por varistores en supresores de sobretensiones y ha emitido boletines al respecto. ^{[ 21 ]}

Un fusible térmico conectado en serie es una solución para la falla catastrófica de los varistores. También existen varistores con protección térmica interna.

Existen varios aspectos a considerar respecto al comportamiento de los supresores de sobretensiones transitorias (TVSS) que incorporan varistores de óxido metálico (MOV) bajo 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 vida útil. Si un MOV conduce una corriente excesiva, puede fallar catastróficamente, quedando en circuito abierto y manteniendo la carga conectada, pero sin protección contra sobretensiones. El usuario podría no tener ninguna indicación de que el supresor de sobretensiones ha fallado.

Bajo las condiciones adecuadas de sobretensión e impedancia de línea, es posible que el MOV se incendie, ^{[ 22 ]} la causa principal de muchos incendios ^{[ 23 ]} que es la razón principal de la preocupación de la NFPA que dio lugar a la norma UL1449 en 1986 y revisiones posteriores en 1998 y 2009. Los dispositivos TVSS diseñados correctamente no deben fallar catastróficamente, sino que deben abrirse un fusible térmico o algo equivalente que solo desconecte los dispositivos MOV.

Un varistor (MOV) integrado en un supresor de sobretensiones transitorias (TVSS) no ofrece protección completa para los equipos eléctricos. En particular, no protege contra sobretensiones sostenidas que pueden dañar tanto el equipo como el propio dispositivo protector. Otras sobretensiones sostenidas y perjudiciales pueden ser de menor intensidad y, por lo tanto, ser ignoradas por un varistor.

Un varistor no protege los equipos contra sobretensiones transitorias (durante el arranque), sobrecorrientes (provocadas por un cortocircuito) ni caídas de tensión ( apagones ); no detecta ni afecta a estos fenómenos. La susceptibilidad de los equipos electrónicos a estas perturbaciones eléctricas viene determinada por otros aspectos del diseño del sistema, ya sea dentro del propio equipo o externamente mediante dispositivos como un SAI, un regulador de tensión o un protector contra sobretensiones con protección integrada (que normalmente consta de 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 voltaje es el diodo de supresión de voltaje transitorio (TVS). Si bien los diodos no tienen tanta capacidad para conducir grandes sobretensiones como los MOV, no se degradan con sobretensiones menores y pueden implementarse con un voltaje de sujeción más bajo. Los MOV se degradan por la exposición repetida a sobretensiones ^{[ 24 ]} y generalmente tienen un voltaje de sujeción más alto para que la fuga no los degrade. Ambos tipos están disponibles en un amplio rango de voltajes. Los MOV tienden a ser más adecuados para voltajes más altos, ya que pueden conducir las energías asociadas más elevadas a menor costo. ^{[ 25 ]}

Otro tipo de supresor de transitorios es el supresor de tubo de gas. Se trata de un tipo de descargador de chispa que puede utilizar aire o una mezcla de gas inerte y, a menudo, una pequeña cantidad de material radiactivo como el Ni-63 , para proporcionar una tensión de ruptura más constante y reducir el tiempo de respuesta. Desafortunadamente, estos dispositivos pueden tener tensiones de ruptura más altas y tiempos de respuesta más prolongados que los varistores. Sin embargo, pueden soportar corrientes de falla significativamente mayores y resistir múltiples impactos de alta tensión (por ejemplo, de rayos ) sin una degradación significativa.

Los varistores multicapa (MLV) proporcionan protección contra descargas electrostáticas a los circuitos electrónicos frente a transitorios de energía baja a media en equipos sensibles que operan a 0-120 voltios CC. Tienen capacidades de corriente máxima de entre 20 y 500 amperios, y capacidades de energía máxima de entre 0,05 y 2,5 julios.

• Fusible rearmable , un dispositivo sensible a la corriente.
• Trisil

• El ABC de los MOV Archivado el 05/01/2011 en Wayback Machine — notas de aplicación de la empresa Littelfuse 
• Pruebas de varistores. Archivado el 5 de enero de 2011 en Wayback Machine por la empresa Littelfuse.