Beveiligen met varistoren
Een bodyguard voor halfgeleiders.
Spanningsafhankelijke weerstanden zijn weinig bekend en (daarom?) ook weinig gebruikt in de amateurelektronica. Jammer, want door hun specifieke eigenschappen zijn ze uitmuntend geschikt voor met name beveiliging van halfgeleiders tegen overspanningen. Om die onbekendheid met varistoren wat weg te nemen, zullen we hier de werking en hun karakteristieken bespreken, alsmede enkele toepassingen (o.a. in een triac-schakeling).
De voltage dependent resistor (VDR), ook wel varistor genoemd, heeft het voordeel dat zijn karakteristiek symmetrisch is; een varistor heeft geen polariteit. Dat maakt hem uitermate geschikt voor AC-toepassing waar vrijloopdioden uiteraard niet gebruikt kunnen worden.
Werking en opbouw
In de elektronische stamboom vinden we de varistor in de tak "niet lineaire weerstanden". Het materiaal waarvan ze gemaakt worden is siliciumcarbide, zinkoxide of titaniumoxide. Bij de fabrikage worden kristallen van dit materiaal samen met een keramische binder samengeperst en bij hoge temperatuur gesinterd. De overgangen van de diverse kristallen kunnen opgevat worden als een komplex netwerk van serie en parallel geschakelde weerstanden. De overgangsweerstand vertoont een bepaalde afhankelijkheid van de aangelegde spanning (veldsterkte).
Om een indruk te krijgen van de werking van een varistor kan het beste een vergelijk worden gemaakt met twee in antiserie geschakelde zenerdioden. Onder een bepaalde spanning zal de stroom relatief klein zijn (de weerstand is groot). Overschrijdt de spanning een bepaalde waarde, dan neemt de weerstand sterk af, waardoor de stroom expontentieel zal toenemen (figuur 1). Wiskundig kan de karakteristiek van een VDR bij een niet al te kleine stroom I geschreven worden met de vergelijking:
U = C × Iβ
C is hierin een materiaalkonstante en de exponent β is verantwoordelijk voor de niet-lineariteit.
Figuur 1. Bij een VDR (voltage dependent resistor) is, zoals de naam het al zegt, de weerstandswaarde afhankelijk van de aangelegde spanning (a). De stroom zal daardoor, bij toenemende spanning, exponentieel stijgen (b).
Zetten we de stroom en de spanning uit op een dubbellogaritmische schaal, dan wordt de karakteristiek een rechte lijn met de richtingskoëfficiënt β (figuur 2). Alleen bij kleine stromen zal de echte karakteristiek afwijken van de rechte lijn. Om een bepaald type VDR te kunnen toepassen is het niet per se noodzakelijk de karakteristiek te kennen, net zo min als dat bij een transistor of welke komponent dan ook nodig is. Het volstaat meestal als we over enkele kenmerkende gegevens beschikken, zoals:
- De "kniespanning", de spanning waarbij de varistor duidelijk begint te werken. De scherpte van de knik in de karakteristiek is afhankelijk van het materiaal: bij zinkoxide-varistors is er sprake van een scherper gedefinieerde knik dan bij siliciumcarbideexemplaren. Titaniumoxide-varistoren onderscheiden zich omdat ze ook met een relatief lage kniespanning (v.a. 2,7 V) geleverd worden. De kniespanning wordt opgegeven bij een bepaalde stroom, afhankelijk van de grootte van de VDR.
- β (zie figuur 2). Voor ZnO-VDR's is deze het kleinst (0,02 typ.), hetgeen betekent dat een kleine toename van de spanning een enorme vergroting van de stroom tot gevolg heeft.
- Maximale piekstroom en/of de maximaal te verwerken impulsenergie. Dit is een belangrijk gegeven bij de dimensionering. De impulsenergie van de te onderdrukken stoorimpuls moet immers in de varistor gedissipeerd worden. We noemden die varistor al een bodyguard voor halfgeleiders, maar dat hoeft nog niet te ontaarden in kamikazeachtige praktijken!
- Kontinue belastbaarheid, van belang bij toepassing in een stabilisatieschakeling of bij snel repeterende spanningspulsen.
Figuur 2. Door spanning en stroom op een logaritmische schaal uit te zetten is het mogelijk om de exponent β te bepalen. Dit is ook de standaard-kurve die door de fabrikanten wordt verstrekt.
Toepassingen
Varistoren worden vooral gebruikt bij het onderdrukken van (energierijke) stoorspanningen. Deze kunnen bijvoorbeeld ontstaan bij blikseminslag of bij het uitschakelen van een stroomvoerende zelfinduktie. Dat uitschakelen kan onder andere gebeuren door een (magneet)schakelaar, een zekering (figuur 3) of een halfgeleider. In het geval waarin die halfgeleider een thyristor of een triac is, zou men in eerste instantie geen problemen verwachten. Deze komponenten schakelen immers pas uit als de stroom door nul gaat, dus zal er ook geen induktiespanning ontstaan. Helemaal waar is dit echter niet: het uitschakelen vindt plaats zodra de stroom onder de houdwaarde (de stroom die nodig is om de thyristor of triac in geleiding te houden) komt, de stroom is dus nog niet nul en daarom ontstaat er toch een induktiespanning. In veel gevallen kan de magnetische energie (½ × L × I2) via een vrijloopdiode afgevoerd worden. Zij wordt dan gedissipeerd in die diode en de ohmse weerstand van de zelfinduktie. Maar vaak is de zelfinduktie AC-gevoed, waardoor geen vrijloopdiode gebruikt kan worden (die zou immers steeds gedurende een halve periode in geleiding komen). Een varistor biedt dan uitkomst. Figuur 4 toont een triacbeveiliging door middel van een varistor (1 of 2). Varistor 1 staat rechtstreeks over de induktieve belasting en pakt daarom de storing bij de bron aan. Wel moeten we erop wijzen dat de zelfinduktie van de leiding naar de triac in kombinatie met de parasitaire kapaciteit van de (niet-geleidende) triac een seriekring vormt waarin spanningsopslingering op zou kunnen treden. Het is niet eenvoudig daaraan te rekenen omdat ook de VDR, rekening houdend met parasitaire kapaciteit en zelfinduktie, een redelijk ingewikkeld vervangingsschema heeft (figuur 5).
Figuur 3. Het ontstaan van spanningspulsen op de netspanning. Een zekering schakelt een bepaald apparaat waarin een kortsluiting is opgetreden uit, waardoor de netspanning even opgeslingerd wordt. Andere apparatuur kan daardoor, mits niet voldoende beveiligd, in het ongerede raken.
Figuur 4. Beveiliging van een triac in een elektronisch relais. VDR 1 onderdrukt de storing bij de bron en VDR 3 onderdrukt externe spanningspulsen. Als alternatief kan ook een VDR over de triac zelf geschakeld worden.
Figuur 5. Vervangingsschema van een VDR met zelfinduktie (inklusief die van de leidingen) L, parasitaire kapaciteit C en serie- en parallelweerstand Rs en Rp.
Een andere manier om de te verwachten storing te onderdrukken is de VDR rechtstreeks over de triac plaatsen (figuur 4). Omdat het onderdukken nu niet rechtstreeks bij de bron geschiedt is het mogelijk dat de mate van storingsonderdrukking iets minder zal zijn. Daar staat tegenover dat de triac zelf op deze manier wel beter beschermd wordt.
Kiezen we toch voor de oplossing met varistor 1 (onderdrukking bij de storingsbron), dan is het raadzaam om ook varistor 3 te plaatsen. Deze dient voor het onderdrukken van stoorimpulsen die via het lichtnet in de schakeling zouden kunnen dringen. In figuur 6 zien we nog enkele toepassingen van varistoren. De gevallen a, b en c hebben alledrie betrekking op beveiliging tegen spanningsoverslag of -doorslag. Toepassing d is afwijkend. Het betreft daar namelijk een spanningsstabilisatie zoals die ook met een zenerdiode gerealiseerd kan worden. Maar het aardige van de varistor is dat de polariteit van de ingangsspanning er niet toe doet. Het is in principe mogelijk om van een sinusvormige ingangsspanning een blokspanning te maken. We waarschuwen er wel voor dat een VDR in een stabilisatieschakeling vaak behoorlijk wat te dissiperen heeft.
Figuur 6. Nog enkele toepassingen van een varistor.
a. Kontaktbescherming, analoog aan triacbeveiliging.
b. Kommutatorbescherming van een gelijkstroommotor.
c. Beveiliging van een brugschakeling met een induktieve belasting.
d. Spanningsstabilisatie of spanningsbegrenzing (aftoppen).
Nog even wat punten waarop gelet moet worden bij het selekteren van een VDR voor een bepaalde toepassing:
- De piekspanning die het te beveiligen objekt nog kan verdragen zonder dat er schade optreedt. De kniespanning van de VDR moet uiteraard kleiner zijn dan deze piekspanning.
- De maximale spanning over de VDR in nominale omstandigheden (bij AC topwaarde = √2 × Ueff!!). Als vuistregel geldt dat de stroom door de VDR bij deze spanning kleiner moet zijn dan 1 mA.
- De maximaal te verwachten transient-stroom.
- De energie die de VDR moet dissiperen gedurende een stoorimpuls. Parallel aan een induktiviteit is die altijd kleiner dan ½ × L × I2 (I is momentele stroom op op moment van uitschakelen).
- De gemiddelde dissipatie, vooral als de te onderdrukken impulsen elkaar snel opvolgen en als de kniespanning niet veel hoger is dan de normale bedrijfsspanning.
| ZnO | 0,025 | 50 V ... 500 V | voor onderdrukking van energierijke stoorpulsen |
| SiC | 0,3 | 5 V ... 25 kV | voor kontinue belasting, bijvoorbeeld in spanningsstabilisatie-schakelingen |
| TiO2 | 0,25 | 2,7 V ... 70 V | beveiliging van laagspanningsapparatuur |
Literatuur
- Philips technical publication 046
- Siemens Bauelemente, Technische Erlauterun gen und Kenndaten.