Warystory z tlenków metali(MOV): Urządzenie zabezpieczające przed przepięciami

O Warystory z tlenków metali, Obwody i elektronika stanowią istotną część naszego życia i codziennych czynności. Niestety, skoki napięcia mogą wystąpić z wielu powodów i spowodować uszkodzenia systemów elektronicznych. Można jednak użyć warystorów z tlenków metali, aby zabezpieczyć obwód. Warystory te nie są nowe, ponieważ pochodzą z początku lat 70. i stały się preferowaną metodą ochrony obwodów.

MOV-y są idealne do różnych zastosowań, zwłaszcza na płytkach drukowanych. Oto wszystko, co musisz wiedzieć o tym komponencie elektronicznym.  

Czym są warystory z tlenków metali?

Najprościej rzecz ujmując, warystor z tlenków metali to zmienny rezystor, ale z lekkim przekręceniem. W przeciwieństwie do potencjometru, może on zmieniać rezystancję w zależności od napięcia wejściowego. Wzrost napięcia zmniejsza opór, podczas gdy spadek napięcia zwiększa opór.  

Warystor z tlenku metalu

Dzięki tej właściwości elektrycznej warystor jest przydatny w technologiach ochrony obwodów.  

Jak działa MOV?

Warystory z tlenków metali występują w szerokim zakresie napięć, od około 10V do ponad 1000 V AC lub DC. Dlatego wybór lub skonstruowanie jednego z nich jest łatwiejsze, jeśli znane jest napięcie zasilania.

Na przykład, jeśli napięcie zasilania wynosi 120V, wybierz warystor krzemowy lub z tlenków metali o nieco wyższym napięciu RMS, jak 130V. Jeśli napięcie zasilania wynosi 230V, wybierz warystor o wartości RMS 260V.  

Warystor z tlenku metalu na płytce drukowanej

Oprócz napięcia zasilania, istotne jest również zrozumienie przejściowego impulsu mocy i impedancji źródła. Dobór właściwego MOV dla linii przychodzących i transjentów fazowych jest wyzwaniem, ponieważ charakterystyka zasilania jest nieznana. Dlatego wybór MOV do ochrony obwodów elektrycznych przed skokami i przejściowymi stanami zasilania jest zazwyczaj wynikiem domysłu.

Jednakże, gdy mamy do czynienia z prądem, maksymalne przepięcie, jakie może przyjąć warystor, zależy od liczby powtórzeń impulsu i szerokości impulsu przejściowego.

Można przyjąć założenia dotyczące szerokości impulsu przejściowego, który zwykle ma długość 20-50 mikrosekund.

Warystor może się przegrzać, jeśli wartość znamionowa szczytowego prądu impulsowego jest niewystarczająca. Dlatego musi on szybko rozproszyć zaabsorbowaną energię impulsu przejściowego i powrócić do stanu sprzed impulsu, aby zapobiec katastrofalnej awarii.  

Budowa MOV

Warystory z tlenków metali zawierają jeden główny składnik: proszek ceramiczny z tlenków metali. Najczęściej stosowanym materiałem na warystory jest tlenek cynku (ziarna ZnO), ale tlenki kobaltu, bizmutu i manganu również mogą pracować.  

Konstrukcja warystora z tlenków metali

Dwie metalowe elektrody utrzymują ziarna ZnO w miejscu, a każde ziarno tworzy złącze diodowe z sąsiednim. MOV jest więc jakby parą diod back-to-back połączonych szeregowo.

Niewielkie napięcie na elektrodach powoduje powstanie wstecznego prądu upływu, ale duże napięcie osłabia i rozbija złącza graniczne diody. Problem ten wynika z przebicia lawinowego i tunelowania elektronów.

To powiedziawszy, warystor zaczyna przewodzić dopiero wtedy, gdy napięcie na łączących go przewodach przekroczy napięcie progowe. Dlatego powinieneś połączyć je szeregowo, jeśli chcesz uzyskać wysokie napięcie znamionowe. Jeśli jednak wolisz bardziej efektywną zdolność przenoszenia energii, połącz je równolegle.  

Charakterystyka elektryczna MOV

Aby zrozumieć właściwości MOV, należy poznać jego charakterystykę elektryczną, która obejmuje następujące elementy:  

Opór statyczny

Wykres napięcia MOV w stosunku do oporu pokazuje, że opór jest największy przy napięciu standardowym. Jednak wraz ze wzrostem napięcia opór maleje.  

Krzywa oporu statycznego

Wykres ten jest ważny, ponieważ pomaga zrozumieć wielkość oporu w MOV przy różnych napięciach.  

Charakterystyka V-I

Zgodnie z prawem Ohma, charakterystyka V-I rezystora liniowego jest linią prostą. Jednak w przypadku warystora tworzy ona dwie symetryczne krzywe dwukierunkowe. Krzywa ta przypomina cechy dwóch diod Zenera umieszczonych tyłem do siebie.  

Gdy nie przewodzi, urządzenie warystorowe ma dużą rezystancję i utrzymuje ją do około 200V. Jednakże, jeśli zakres napięć wynosi 200-250V, rezystancja maleje, pozwalając na przepływ prądu przez urządzenie. Ten mały przepływ prądu tworzy lekkie krzywe na wykresie.

Jednakże, gdy napięcie przekroczy 250V (napięcie znamionowe/zaciskowe), urządzenie warystorowe zapewnia lepsze przewodzenie elektryczne, pozwalając na przepływ około 1mA.

Rezystancja MOV znacznie się zmniejsza, jeśli napięcie przejściowe skoczy do poziomu równego lub przekraczającego napięcie zacisku. W tym momencie efekt lawinowy materiału półprzewodnikowego skutecznie zmienia warystor w przewodnik.  

Kapacytancja MOV

Ponieważ MOV posiada dwie elektrody, działa jako medium dielektryczne i wywołuje efekt kondensatora. Wartość pojemności zależy od powierzchni, która odwrotnie zależy od grubości.

To powiedziawszy, dopuszczalna pojemność warystora nie jest problemem w obwodach DC, ponieważ pozostaje stała, dopóki zakres roboczego napięcia DC urządzenia jest równy napięciu zacisku.

Jednak w obwodach AC, pojemność może wpływać na ogólną rezystancję ciała, powodując powstanie prądu upływu. Ponieważ MOV łączy się z zabezpieczanym urządzeniem równolegle, rezystancja zmniejsza się wraz ze wzrostem częstotliwości. Taki scenariusz zwiększa prąd upływu, tworząc nieprzewodzący obszar upływu na krzywej V-I.

Wartość reaktancji MOV można obliczyć za pomocą tego wzoru:

Xc = 1/2πfC

Xc jest opornością pojemnościową, a f jest częstotliwością prądu zmiennego,  

Działanie MOV

Bezpieczniki i wyłączniki są również urządzeniami ochronnymi, ale ich mechanizmy działania są podobne do MOV. Warystory są nieliniowe i zależne od napięcia, gdzie ich rezystancja zmienia się automatycznie w zależności od zasilania.

Bezpiecznik

Warystory zapewniają niemal całkowitą ochronę przed katastrofalnymi awariami, przy czym urządzenia takie jak warystor Littelfuse zapewniają najszerszy zakres ochrony obwodu. Jednak urządzenie może ulec trwałemu uszkodzeniu, jeśli tłumione przez nie napięcie jest zbyt wysokie.  

Wyłączniki automatyczne

Ponieważ nawet małe skoki powodują drobne uszkodzenia, urządzenie staje się wolniejsze w czasie, a producenci zwykle wyjaśniają żywotność urządzenia za pomocą wykresu.

Wartość znamionowa energii również wpływa na żywotność warystora. Wysoka wartość znamionowa energii zmienia impulsy przejściowe, które urządzenie może obsłużyć, co podnosi napięcie zaciskowe na każdej krótkiej awarii.

Można poprawić wydajność łącząc równolegle wiele MOV. Ponadto można ingerować w czas reakcji poprzez zmianę indukcyjności prowadzenia komponentów i konstrukcji montażowej.

Warto zauważyć, że warystor z tlenków metali może funkcjonować zarówno w przedniej, jak i w odwrotnej tendencji.  

Specyfikacja MOV

Przed wyborem warystora metalowo-tlenkowego należy poznać jego parametry, do których należą:  

Maksymalne napięcie pracy warystora.

Zwane również napięciem stałym, to napięcie, przy którym prąd upływu jest niższy od określonej wartości.  

Napięcie zaciskania

Odnosi się do napięcia, przy którym warystor zaczyna przewodzić, jednocześnie rozpraszając prąd przepięcia.  

Prąd udarowy

Prąd przepięciowy to szczytowy prąd, który urządzenie może obsłużyć bez wystąpienia uszkodzeń, a producenci zwykle wyrażają go jako prąd dla danego czasu.  

Warystor

Przesunięcie udarowe

Zmiana napięcia po przejściowym skoku napięcia to przesunięcie udarowe.  

Absorpcja energii

Odnosi się do maksymalnej ilości energii, którą warystor może rozproszyć przez określony czas. Standardowy transient x/y wyraża tę energię, gdzie x to wzrost transientu, a y to czas do osiągnięcia połowy wartości szczytowej. Wartość tę można określić poprzez zasilanie urządzeń w kontrolowanym obwodzie określonymi wartościami.

Czas reakcji

Po wystąpieniu spinu, czas, jaki potrzebuje MOV, aby zacząć przewodzić, to czas reakcji (zwykle 100nS).  

Maksymalne napięcie AC

Określana również jako maksymalne napięcie linii RMS, wartość ta jest zwykle wyższa od rzeczywistego napięcia linii RMS. Napięcie szczytowe i warystorowe nie powinny się pokrywać, ponieważ mogą zmniejszyć żywotność elementów elektronicznych.  

Prąd upływu

Wreszcie, prąd upływu przepływa przez warystor podczas pracy poniżej napięcia zacisku i bez przepięcia w obwodzie.  

Jak wykorzystać MOV w swoim obwodzie?

W większości przypadków MOV umieszcza się równolegle w obwodzie obok bezpiecznika, jak pokazano poniżej:  

MOV podłączony równolegle. 

Gdy nie ma skoku napięcia, opór w urządzeniu MOV jest bardzo wysoki, więc nie płynie przez nie żaden prąd. Zamiast tego cały płynie w obwodzie.

Jednak skok przekraczający zakres napięcia AC pojawia się natychmiast w poprzek MOV, ponieważ jest on równoległy do zasilania. Takie przepięcia obniżają wartość oporu elektrycznego w MOV, umożliwiając przepływ prądu.

Ponieważ opór drastycznie się obniża, przepływ prądu przez MOV jest bardzo duży i wygląda jak zwarcie. Przepływ ten powoduje przepalenie bezpiecznika i odcięcie zasilania obwodu.

Jednakże skoki napięcia zazwyczaj nie trwają na tyle długo, aby przepalić bezpiecznik, więc obwód wznawia regularną pracę bez konieczności wymiany bezpiecznika.

Jednak każdy skok napięcia pozostawia ślad na warystorze, więc katastrofalne uszkodzenie MOV oznacza, że musiał on być poddany wielu skokom napięcia.  

Wskazówki dotyczące projektowania obwodu ochronnego MOV

Przy projektowaniu obwodu należy stosować następujące wskazówki.

MOV na płytce drukowanej

Zastosowania MOV

Zastosowania warystorów obejmują:

Ochrona przed przepięciami, skokami napięcia, Line-to-Line, łukiem i przełączaniem

Ochrona urządzeń przed błędami

Zapobieganie awariom urządzeń przełączających, takich jak tranzystory, MOSFET-y i mostki tyrystorowe

MOSFET mocy

Ochrona przed przepięciami zwykłych urządzeń elektronicznych, takich jak odtwarzacze mp3, aparaty cyfrowe itp.

Zabezpieczają przemysłowe systemy zasilania, systemy danych, linie AC i DC, itp.

Stosowane w adapterach i listwach

Podsumowanie

Podsumowując, MOV mają unikalne właściwości elektryczne, co czyni je krytycznymi dla urządzeń elektronicznych. Jest to prosty komponent z niewielką ilością materiałów na warystory, ale bardzo przydatny w ochronie przed przepięciami AC. Jeśli masz jakiekolwiek pytania dotyczące tego urządzenia, skontaktuj się z nami, aby uzyskać więcej szczegółów.