Varistorer

Hur fungerar metalloxidvaristorer?

Varistorer är en typ av ickelinjära motstånd, vars resistans beror på spänningen de ser. Namnet kommer från variabel resistor. Att varistorer är ickelinjära betyder dels att deras karaktäristik varierar, och dels att variationen inte är jämn, utan förändras plötsligt (”knäet” i kurvan nedan). Det som varierar hos varistorer är som sagt resistansen, som är hög vid låg spänning, men sjunker snabbt vid en högre spänning. Kort sagt så leder varistorer höga spänningar bra, medan låga spänningar i princip inte leds alls – resistansen på lägre spänningar kan vara upp till flera hundra MΩ.

Ett annat namn på engelska är Voltage Dependent Resistor (VDR), alltså spänningsberoende motstånd. Den vanligaste typen idag tillverkas med metalloxid, varför de ofta kallas för metalloxidvaristorer, förkortat MOV.

Om man kopplar en varistor mellan en ledare och jord kommer den därför kortsluta toppar med hög spänning, och skydda elektroniken som spänningsmatas via ledaren från överslag. I bilden nedan visas hur tre varistorer kan mellan faserna samt från de båda faserna till jord, kan skydda en apparat.

Symbolen för varistorer liknar den för termistorer, men har oftast ett U som visar att det som får resistansen att variera är spänning.

Beteendet med en genombrottsspänning liknar på många sätt dioder, med den viktiga skillnaden att varistorer är symmetriska. Varistorer liknar två zenerdioder kopplade parallellt (åt motsatt håll), och förutom att zenerdioder normalt har betydligt lägre genombrottsspänning så håller liknelsen bra.

Ett annat sätt att tänka på varistorer är som en sorts säkring, som löser ut när en spänning blir för hög, istället för strömmen.

Användningsområden

Det vanligaste användningsområdet för varistorer är som överspänningsskydd. De kan skydda mot överspänning från t.ex. åsknedslag, eller mot överslag från induktiva laster som motorer, reläer, transformatorer och solenoider.

Varistorer används främst på nätansluten utrustning som strömförsörjningar till datorer, tv-apparater och liknande, och exempelvis vitvaror som spisar, kylskåp och diskmaskiner. Den återfinns också i en del grendosor med inbyggt överspänningsskydd. Ett annat ställe man ofta finner varistorer är multimetrar.

Förutom att skydda elektronik från överslag, så kan varistorer också användas ihop med triacar, för att minska orsakad elektromagnetisk störning (EMI).

Det finns också varistorer för lägre spänningar, ner till ett fåtal volt. De fungerar som sina större kusiner, men skyddar inte mot åsknedslag, utan t.ex. mot transienter (korta spänningstoppar) från omkopplare (EFT, Electrical Fast Transients).

När varistorer går sönder

När varistorer skyddar elektronik så värms de upp, vilket gör att de också tar skada. Effekten blir att varistorns genombrottsspänning sjunker, vilket i sig gör att allt lägre spänningar kommer göra att varistorn börjar leda, vilket orsakar slitage, vilket ... Detta slitage kan ske omärkligt, och kan till slut göra att en varistor går sönder helt. Ett annat, mer plötsligt sätt för varistorer att gå sönder är vid större, långvariga spänningstoppar.

Varistorer som har brunnit brukar bilda en kortslutning, så det sitter ofta en säkring i serie med varje varistor, men inte alltid. En varistor som har gått sönder kan göra utrustning obrukbar, och att den har gått sönder behöver inte tyda på att något annat i apparaten behöver service – skadan kommer ofta utifrån. Därför är byten av varistorer en enkel och billig operation, som kan återställa förhållandevis stor och kostsam utrustning.

Hitta ersättning

Att hitta en ersättning till varistorer är relativt lätt. De viktigaste parametrarna är arbetsspänning, skyddsspänning, och strömtåligthet. Om det inte finns en varistor med exakt samma värden kan det ofta fungera med en närliggande.

Det enklaste att hitta en ersättare är att söka på beteckningen som finns tryckt på varistorn. Beteckningen består ofta av serien (som brukar vara diametern i millimeter), arbetsspänningen (ac) samt några bokstäver före och /eller efter siffrorna.

Om man söker på en beteckning, exempelvis S10K320K1, så hittar man databladet för serien varistorn ingår i. I databladet kan man söka efter in beteckningen igen – skriv ett tecken i taget. Gör man det så hittar man S10K320 (utan suffixet K1), och kan utläsa dess parametrar. Vi ser att arbetsspänningen är på 320V (AC) eller 420V (DC), att den tål max 2500A pulsström, kan absorbera max 50 Joule, ... Vi ser också typbeteckningen B72210S0321K101.

Databladet är ordnat så att komponentens data listas på flera ställen, i olika tabeller. Om vi letar vidare hittar vi B72210S0321K101 lite längre ner, och ser fler parametrar: Varistorspänningen (V_V) på 510 V, variansen för denna ±10 %, Maxspänningen (V_C,Max) på 840V, max kontinuerlig ström (i_C), 25A, samt en typisk kapacitans på 185 pF.

Hur ska man då tänka? Man vill såklart ligga så nära originalets värden som möjligt.

Viktigast är att arbetsspänning, varistorspänning och maxspänning ligger nära originalet. Arbetsspänningen får inte var för hög, eftersom det kommer släppa fram spänningar som är potentiellt skadliga. En lägre varistorspänning eller maxspänning ger fortfarande ett skydd, men kan innebära att varistorn ”aktiveras” oftare, med förkortad livslängd som resultat.

Maximal pulsström, energi och kontinuerlig ström kan vara högre än den man ersätter. Det innebär bara att varistorn är tåligare. Det finns dock nackdelar, i form av ett högre pris, fysiskt större komponenter, och en högre kapacitans. Kapacitansen är ofta irrelevant, men för skydd av ledare som bär signaler kommer en för hög kapacitans förvränga signalen.

Varistorns egenskaper och parametrar

Arbetsspänning

Den högsta spänningen en varistor kan utsättas för kontinuerligt utan att börja leda. Kallas t.ex. maximum continuous voltage, maximum continuous operating Voltage eller maximum continuous working voltage. Anges både för AC (V_RMS) och DC (V_DC).

Arbetsspänningen bör ligga något över normal arbetsspänning för apparaten som ska skyddas. För en 240V-ansluten enhet är t.ex. 250-275VAC lämpliga val.

Varistorspänning

Varistorspänningen är namnet på den spänning då varistorn börjar leda, vilket definieras som att 1mA passerar. För en 250V-varistor motsvarar detta en resistans på 250Kohm.

Maxspänning

Maxspänningen, på engelska kallad clamping voltage, är den spänning då varistorn kortsluter. En högre spänning än detta kan inte passera över ledaren (så länge varistorn fortsätter fungera).

Max pulsström

Den maximala pulsströmmen (i_Max)som varistorn tål. Även om det ofta är mycket ström, så tål varistorn bara strömmen under en mycket kort tid. Strömmen brukar anges med en standardpuls, med 8 μs stigtid och 20 μs falltid. Den exakta tåligheten beror på en kombination av pulsens duration, spänning, form, samt antal pulser (om flera).

Maximal energi

Anger hur mycket energi en varistor kan absorbera, och mäts i enheten joule (J).

Strömtålighet

Anger vid vilken ström den den kontinuerliga maxspänningen mäts (current rating).