Tutorial sobre el Varistor

Tutorial sobre el Varistor o resistencia VDR

Un breve y a la vez gran tutorial sobre el Varistor para que sepan como utilizarlo en sus aplicaciones. El Varistor o VDR, es un dispositivo semiconductor de estado sólido pasivo de dos terminales que se utiliza para proporcionar protección a los circuitos eléctricos y electrónicos.

Después del último tutorial sobre el optoacoplador, hemos recibido muchas peticiones sobre el varistor, un componente electrónico que pocos utilizan y en determinadas circunstancias es bueno que lo instales.

Tutorial sobre el Varistor

Aprendan con este tutorial sobre el Varistor a proteger circuitos

A diferencia del fusible o disyuntor que ofrece protección contra sobre-intensidad de corriente, el varistor proporciona protección contra sobretensiones mediante la fijación de tensión de forma similar al diodo Zener.

La palabra “Varistor” es una combinación de las palabras VARI – able y res – STOR utilizadas para describir su modo de operación en sus primeros días de desarrollo, lo cual es un poco engañoso ya que un varistor no puede ser variado manualmente como un potenciómetro o reóstato .

Varistor Imagen física de un Varistor o VDR

Simbología eléctrica industrial

Antes de seguir con el tutorial veamos como es la simbología eléctrica de este componente.

Simbologia electrica industrial del varistor

Aunque existen varios símbolos, para representarlo en un esquema, este es el apropiado y adoptado por la industria electrónica para definir al Varistor o VDR según estén familiarizados a nombrarlo.

Funcionamiento del Varistor

Pero a diferencia de una resistencia variable cuyo valor de resistencia puede variarse manualmente entre sus valores mínimo y máximo, el varistor cambia su valor de resistencia automáticamente con el cambio de voltaje a través de él, por lo que es una resistencia no lineal dependiente de voltaje o VDR para abreviar.

Hoy en día, el cuerpo resistivo de un varistor está hecho de material semiconductor, lo que lo convierte en un tipo de resistencia semiconductora con un voltaje simétrico no óhmico y características de corriente adecuadas tanto para aplicaciones de voltaje CA como CC.

Evita picos de sobretensión

En muchos sentidos, el varistor se ve similar en tamaño y diseño a un condensador y con frecuencia se lo confunde como uno. Sin embargo, un condensador no puede suprimir las sobretensiones de la misma manera que un varistor. Cuando se aplica una sobretensión de alta tensión a un circuito, el resultado suele ser catastrófico para el circuito, por lo tanto, el varistor desempeña un papel importante en la protección de circuitos electrónicos delicados contra picos de conmutación y transitorios de sobretensión.

Las sobretensiones transitorias se originan a partir de una variedad de circuitos eléctricos y fuentes, independientemente de si funcionan a partir de una fuente de CA o CC, ya que a menudo se generan dentro del circuito o se transmiten al circuito desde fuentes externas. Los transitorios dentro de un circuito pueden aumentar rápidamente, aumentando el voltaje a varios miles de voltios, y son estos picos de voltaje los que deben evitarse en circuitos y componentes delicados.

Una de las fuentes más comunes de transitorios de tensión es el efecto L (di / dt) causado por la conmutación de bobinas inductivas y corrientes de magnetización del transformador, aplicaciones de conmutación del motor de CC y sobretensiones de encendido de circuitos de iluminación fluorescente u otras sobretensiones de suministro.

Transitorios de forma de onda de CA

Transitorios de forma de onda de CA

Los varistores están conectados en circuitos a través de un suministro de red ya sea de fase a neutro, de fase a fase para operación de CA, o de positivo a negativo para operación de CC y tienen una clasificación de voltaje para adaptarse a su aplicación. Un varistor también se puede usar para la estabilización de voltaje de CC y especialmente para la protección de circuitos electrónicos contra pulsos de sobretensión.

Resistencia del Varistor

Resistencia estática del Varistor

Bajo operación normal, el varistor tiene una resistencia muy alta, por lo tanto parte de su nombre, opera de manera similar al diodo Zener al permitir que los voltajes de umbral más bajos pasen sin afectarse.

Sin embargo, cuando el voltaje a través del varistor (cualquiera de las polaridades) excede el valor nominal de los varistores, su resistencia efectiva disminuye fuertemente con un voltaje creciente como se muestra.

Sabemos por la Ley de Ohm que las características de voltaje actual (IV) de una resistencia fija son una línea recta siempre que R se mantenga constante. Entonces la corriente es directamente proporcional a la diferencia de potencial en los extremos de la resistencia.

Pero las curvas IV de un varistor no son una línea recta, ya que un pequeño cambio de voltaje causa un cambio significativo de corriente.

A continuación, se proporciona una curva típica de voltaje normalizado versus curvas de corriente para un varistor estándar.

Curva característica del Varistor

Curva característica del Varistor

Podemos ver en la gráfica de arriba, que el varistor tiene características bidireccionales simétricas, es decir, el varistor opera en ambas direcciones (cuadrante Ι y ΙΙΙ) de una forma de onda sinusoidal que se comporta de manera similar a dos diodos Zener conectados espalda con espalda. Cuando no se conduce, la curva IV muestra una relación lineal ya que la corriente que fluye a través del varistor permanece constante y baja a solo unos pocos microamperios de corriente de “fuga”. Esto se debe a su alta resistencia que actúa como un circuito abierto y permanece constante hasta que la tensión a través del varistor (cualquiera de las polaridades) alcanza un “voltaje nominal” particular.

Esta tensión nominal o de sujeción es la tensión en el varistor medida con la corriente CC especificada de 1 mA. Es decir, el nivel de voltaje de CC aplicado a través de sus terminales que permite que una corriente de 1 mA fluya a través del cuerpo resistivo de los varistores, que a su vez depende de los materiales utilizados en su construcción. En este nivel de voltaje, el varistor comienza a cambiar de su estado aislante a su estado de conducción.

Tensiones transitorias en la alimentación

Cuando el voltaje transitorio a través del varistor es igual o mayor que el valor nominal, la resistencia del dispositivo de repente se vuelve muy pequeña convirtiendo el varistor en un conductor debido al efecto de avalancha de su material semiconductor. La pequeña corriente de fuga que fluye a través del varistor aumenta rápidamente, pero el voltaje a través de él se limita a un nivel justo por encima del voltaje del varistor.

En otras palabras, el varistor autorregula la tensión transitoria a través de él al permitir que fluya más corriente a través de él y debido a la curva pronunciada no lineal (vea cuadrante IV) puede pasar corrientes muy variables cortando cualquier pico de voltaje sobre un rango muy estrecho.

Valores de capacitancia del Varistor

Como la región principal de conducción de un varistor entre sus dos terminales se comporta como un dieléctrico, debajo de su voltaje de sujeción el varistor actúa como un condensador en lugar de una resistencia. Cada varistor semiconductor tiene un valor de capacitancia que depende directamente de su área y varía inversamente con su espesor.

Cuando se usa en circuitos de CC, la capacitancia del varistor permanece más o menos constante, siempre que la tensión aplicada no aumente por encima del nivel de tensión de sujeción y caiga abruptamente cerca de su tensión continua máxima nominal.

Sin embargo, en los circuitos de CA, esta capacitancia puede afectar la resistencia del cuerpo del dispositivo en la región de fuga no conductora de sus características (cuadrante IV). Como normalmente están conectados en paralelo con un dispositivo eléctrico para protegerlo contra sobretensiones, la resistencia a fugas de los varistores disminuye rápidamente con un aumento en la frecuencia.

Esta relación es aproximadamente lineal con la frecuencia y la resistencia paralela resultante, su reactancia de CA, Xc se puede calcular utilizando la fórmula habitual como para un condensador normal, 1 / (2πƒC). Luego, a medida que aumenta la frecuencia, aumenta su corriente de fuga.

Pero además del varistor basado en semiconductores de silicio, se han desarrollado varistores de óxido metálico para superar algunas de las limitaciones asociadas con sus primos de carburo de silicio.

Varistor de óxido de metal

Varistor de óxido de metal

El Varistor de Óxido Metálico o MOV, para abreviar, es una resistencia dependiente de voltaje en la cual el material de resistencia es un óxido metálico, principalmente óxido de zinc (ZnO) prensado en un material similar a la cerámica. Los varistores de óxido metálico consisten aproximadamente en un 90% de óxido de zinc como material base de cerámica más otros materiales de relleno para la formación de uniones entre los granos de óxido de zinc.

Los varistores de óxido de metal son ahora el tipo más común de dispositivo de sujeción de tensión y están disponibles para su uso en una amplia gama de voltajes y corrientes. El uso de un óxido metálico dentro de su construcción significa que los MOV son extremadamente efectivos en la absorción de transitorios de voltaje a corto plazo y tienen mayores capacidades de manejo de energía.

Al igual que con el varistor normal, el varistor de óxido metálico inicia la conducción a un voltaje específico y detiene la conducción cuando el voltaje cae por debajo de un voltaje umbral. Las principales diferencias entre un varistor de carburo de silicio (SiC) estándar y un varistor de tipo MOV es que la corriente de fuga a través del material de óxido de zinc del MOV es muy pequeña en condiciones normales de operación y su velocidad de operación es mucho más rápida.

Los MOV generalmente tienen terminales radiales y un revestimiento exterior duro de epoxi azul o negro que se parece mucho a los condensadores cerámicos de disco y pueden montarse físicamente en tarjetas de circuitos impresos y PCB de manera similar. La construcción de un varistor de óxido de metal típico se muestra en el siguiente gráfico:
Varistor de óxido de metal

Selección del varistor en aplicaciones

Para seleccionar el MOV correcto para una aplicación en particular, es deseable tener algún conocimiento de la impedancia de la fuente y la potencia de pulso posible de los transitorios. Para transitorios entrantes de línea o fase, la selección del MOV correcto es un poco más difícil ya que generalmente las características de la fuente de alimentación son desconocidas. En general, la selección de MOV para la protección eléctrica de los circuitos de los picos y transitorios de la fuente de alimentación suele ser poco más que una conjetura.

Sin embargo, los varistores de óxido metálico están disponibles en una amplia gama de voltajes de varistor, desde aproximadamente 10 voltios hasta más de 1.000 voltios de CA o CC, por lo que la selección puede ser ayudada conociendo la tensión de suministro. Por ejemplo, seleccionando un MOV o varistor de silicio para voltaje, su valor máximo rms debe estar justo por encima del voltaje de suministro esperado más alto, digamos que 130 voltios rms para un suministro de 120 voltios y 260 voltios rms para 230 voltios suministro.

El valor máximo de sobrecorriente que tomará un varistor depende del ancho de pulso transitorio y del número de repeticiones de pulso. Se pueden hacer suposiciones sobre el ancho de un pulso transitorio que son típicamente de 20 a 50 microsegundos (μs) de largo. Si la clasificación de corriente de pulso pico es insuficiente, entonces el varistor puede sobrecalentarse y dañarse. Por lo tanto, para que un varistor funcione sin fallas ni degradaciones, debe ser capaz de disipar rápidamente la energía absorbida del impulso transitorio y regresar de manera segura a su condición previa al impulso.

Aplicaciones del Varistor

Los varistores tienen muchas ventajas y se pueden utilizar en muchos tipos diferentes de aplicaciones para la supresión de transitorios de la red eléctrica desde electrodomésticos e iluminación hasta equipos industriales en líneas de corriente alterna o CC. Los varistores se pueden conectar directamente a través de los suministros de la red eléctrica y a través de los interruptores semiconductores para la protección de transistores, MOSFET y puentes tiristor.

Gráfico de posibles aplicaciones del Varistor

Aplicaciones del Varistor

Protección con Varistor

Varistor a la entrada de una fuente de alimentación.

protección con Varistor

El varistor simplemente se conecta entre línea y neutro, pero después del fusible. Si los varistores sufren un cortocircuito, el fusible se fundirá y desconectará la fuente principal del circuito a proteger.

Aplicación real con Varistor

Solución simple para una protección efectiva.

El fusible original de alta corriente debe reemplazarse con uno que coincida con el equipo. Nunca montar fusibles supervalorados en intensidad.

Conexión del varistor

Un mejor protector contiene tres varistores: uno en cada uno de los tres pares de conductores (línea, neutro y tierra).

Aplicacion de varistor

Diagrama de conexión de varistores en cada línea del circuito a proteger.

Un ejemplo más completo de la gráfica anterior es el siguiente:

filtro protector AC con varistor

Podemos contemplar los varistores de protección en cada línea de la corriente incluyendo el tierra y además unos condensadores de filtrado. Por supuesto de que el fusible ha de estar calibrado a la intensidad de corte de las VDR’s.

El Varistor en la industria

Desde que se comenzó a integrar la electrónica en la industria, el varistor es parte fundamental para evitar transitorios en los circuitos electrónicos. La figura siguiente es un supresor de ruidos fabricado por Siemens para la industria.

Varistor fabricado por Siemens para la industria

Imagen cortesía de Siemens.

El varistor está diseñado para poderlo conectar directamente en los terminales de los contactores del mismo fabricante y así reducir espacio en las instalaciones.

¿Cómo identificar la referencia del Varistor?

Aunque hemos intentado buscar una relación entre el código de referencia marcado en los varistores y los valores de trabajo, en algunos hemos podido comprobar que mirando la referencia se sabe la tensión de trabajo, pero en muchas otras referencias esto no se cumple.

Nuestra recomendación para el caso del Varistor es que comprueben la referencia con los datos del fabricante y evitamos disgustos.

A continuación les ofrecemos una tabla con algunos datos de referencias y los valores eléctricos.

tabla de referencia de varistores

Resumen sobre el Varistor

En este tutorial hemos visto que la función básica de una resistencia dependiente de voltaje o varistor (VDR), es proteger los dispositivos electrónicos y los circuitos eléctricos contra sobretensiones y picos, como los generados por transitorios de conmutación inductiva.

Como tales, los varistores se utilizan en circuitos electrónicos sensibles para garantizar que si el voltaje excede repentinamente un valor predeterminado, el varistor se convertirá efectivamente en un cortocircuito para proteger el circuito que deriva de un voltaje excesivo ya que son capaces de soportar corrientes máximas de cientos de amperios.

Los varistores son un tipo de resistencia con una característica de tensión de corriente no lineal y no óhmica, y son un medio confiable y económico para proporcionar protección contra sobretensiones y picos de sobretensión.

Lo logran actuando como un dispositivo de alta resistencia a voltajes más bajos y como un buen dispositivo de conducción de baja resistencia a voltajes más altos. La efectividad de un varistor en la protección de un circuito eléctrico o electrónico depende de la selección adecuada del varistor con respecto a la disipación de voltaje y corriente.

El óxido de metal en los VDR

Los varistores de óxido de metal, o MOV, generalmente están hechos de un pequeño material de óxido de zinc en forma de disco. Están disponibles en muchos valores para rangos de voltaje específicos. La clasificación de voltaje de un MOV, llamada “tensión de varistor” es la tensión que atraviesa un varistor cuando se pasa una corriente de 1 mA a través del dispositivo. Este nivel de voltaje del varistor es esencialmente el punto en la curva característica del cuadrante IV cuando el dispositivo comienza a conducir. Los varistores de óxido de metal también se pueden conectar en serie para aumentar la capacidad de tensión de trabajo.

Mientras que los varistores de óxido de metal son ampliamente utilizados en muchos circuitos de electrónica de potencia de CA para proteger contra sobrevoltajes transitorios, también existen otros tipos de dispositivos de supresión de voltaje de estado sólido como diodos, diodos Zener y supresores que pueden usarse en algunos voltajes de CA o CC en aplicaciones de supresión junto con Varistores.

Y para finalizar este tutorial del Varistor les ofrecemos un caso práctico de protección, una fuente de alimentación sencilla y regulada desde 5 hasta 15 Voltios.

Fuente de alimentación regulada de 5 a 15V con varistor

Este proyecto de fuente de alimentación regulada de 5-15V es una fuente de alimentación simple que tiene un rango de voltaje de CC variable de 5V a 15V. Puede suministrar corriente de hasta 400 mA para alimentar diversos circuitos para sus proyectos electrónicos. La salida de voltaje se varía usando el potenciómetro VR1. En este circuito, la fuente de alimentación de la línea de entrada está diseñada para 240 VCA. Si se utiliza una entrada de 110 VCA, cambie las capacidades nominales del varistor a 150 VCA y la relación del transformador a 110 V / 12 V.

El Varistor como protector de transitorios de voltaje

El fusible F1 se usa como protección en caso de que haya un cortocircuito en el circuito. El Varistor V1 está conectado en paralelo a la entrada del voltaje de línea para fijar el voltaje de sobretensión de la línea a un nivel razonable que ayuda a proteger el transformador y otros circuitos.

Fuente de alimentacion 5 voltios con varistor

Una vez que el nivel de voltaje aumenta a un nivel alto más allá de la capacidad del varistor para absorberlo, el fusible F1 quemará. Si el fusible no está correctamente calculado, podrá quemarse el Varistor. Si este circuito falla después de un período de funcionamiento, verifique que el fusible y el varistor todavía estén en buenas condiciones o reemplácelos.

Hemos intentado aportar la máxima información posible a este tutorial sobre el Varistor y además le hemos añadido ejemplos de casos prácticos para que puedan comprender aún mejor el funcionamiento de este componente.

Si tienen dudas pueden dejar sus comentarios e intentaremos ayudar. Hasta la próxima amigos.

Referencias de fuente original:
Varistores. https://electronics-tutorials.ws
Fuente de alimentación 5-15 Voltios. https://electronics-project-design.com/
Aplicaciones del Varistor. https://microcontrollers.pro
Supresor de ruidos Siemens. https://siemens.com

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