Los varistores son viables para la protección contra sobretensiones

La protección del equipo electrónico sensible contra voltajes transitorios en forma de sobretensiones que pueden ser circuitos que emanan de relés o motores, o eventos ESD significativos, como rayos, es una parte vital del diseño del equipo.
Existen varias tecnologías para proteger los circuitos electrónicos sensibles de las sobretensiones, incluidos los tubos de descarga de gas, los diodos de supresión de tensión transitoria y los varistores de óxido metálico. Si bien cada una de estas es una solución efectiva, algunas son naturalmente más adecuadas para las aplicaciones modernas donde el espacio es escaso y el coste es una consideración clave.
¿Qué son los eventos de ESD y por qué son un desafío?
La descarga electrostática (ESD) es el flujo repentino de energía eléctrica entre dos objetos cargados. Esto puede ser causado por contacto físico o un cortocircuito eléctrico, o como resultado de una avería dieléctrica. El tipo más espectacular de ESD es un rayo durante una tormenta que se clasifica como un evento ESD a gran escala. Sin embargo, las chispas pueden ser producidas por eventos más pequeños que son una amenaza grave en áreas que contienen gas o vapor de combustible. La ESD también puede ser muy dañina para los componentes electrónicos, que pueden sufrir daños permanentes o incluso fallas como resultado. Los eventos ESD casi siempre son el resultado de la acumulación de electricidad estática, y esto suele deberse a un fenómeno conocido como carga triboeléctrica, donde dos materiales diferentes entran en contacto por fricción. Los materiales modernos, como el algodón, la lana, el poliéster y otros materiales de la ropa son particularmente susceptibles a la carga triboeléctrica, por lo que los seres humanos son una fuente clave de eventos ESD y proporcionan un desafío generalizado para la industria electrónica, ya que todos los productos requieren protección contra eventos ESD.
Comparación de diodos y varistores TVS
Si bien existen varias técnicas para la supresión de los picos de movimiento rápido causados por la descarga de ESD, incluidos los tubos de descarga de gas (GDT), dos de los más utilizados son los diodos de supresión de tensión transitoria (TVS) y los varistores de óxido de metal (MOV). Si bien ambos protegen un circuito, hay algunas diferencias significativas. Un diodo TVS es un dispositivo basado en semiconductores que está diseñado para desviar o derivar los picos de voltaje de un circuito para brindar protección. Sus principales ventajas son que típicamente tienen un tiempo de respuesta rápido (a menudo menor que 1 ns) y también un bajo voltaje de sujeción. Sin embargo, su densidad de energía no puede coincidir con la de los varistores de tamaño equivalente, y si intentaran disipar la misma cantidad de energía posible con un varistor, se dañarían. En general, su capacidad de potencia es relativamente limitada y cuando fallan, normalmente es como un cortocircuito que causa problemas para el circuito que deben proteger.
Los varistores son esencialmente resistencias dependientes del voltaje, lo que significa que su resistencia cambia en respuesta al voltaje que se les aplica. Si bien su tiempo de respuesta suele ser de microsegundos, ofrecen capacidades de sobretensión más altas y un rango más amplio de voltajes de ruptura que un TVS. Una de las diferencias más notables entre los dos tipos de dispositivos es el tamaño relativo para una absorción de energía dada: la diferencia es significativa, como se muestra en la figura 1,

donde un varistor de tamaño similar tiene una clasificación de diez veces la corriente, o un dispositivo de clasificación similar es Al menos diez veces más pequeño que los TVS comparables. Dado que los dispositivos portátiles modernos, como los teléfonos inteligentes y las tabletas, corren un riesgo especial de eventos ESD, esta diferencia de tamaño (a menudo denominada capacidad de densidad de energía mucho mayor) es significativa, ya que permite que se incluya una protección ESD efectiva en el espacio limitado disponible. El hecho de que los varistores son generalmente de menor coste que los dispositivos TVS es otro factor que los hace particularmente adecuados e interesantes para los diseñadores para este tipo de aplicaciones.
Diseño y construcción de un varistor / MOV
Como se ha mencionado, los varistores son resistencias dependientes de voltaje. Sin embargo, su construcción es muy similar a un condensador y su función es similar a un diodo. En los términos más simples, consisten en dos placas de metal con un material de resistencia intercalado entre ellas. El material de resistencia es principalmente (alrededor del 90%) de óxido de zinc (ZnO) con algunos otros materiales de relleno para formar uniones entre los granos de ZnO que se han prensado en un material similar a la cerámica. El uso de ZnO significa que la absorción de energía en un varistor tiene lugar en casi todo el volumen del dispositivo, mientras que para un TVS, solo se puede eliminar la pequeña zona de unión PN. Esta es una de las razones principales por las que un MOV generalmente tiene un rendimiento de densidad de energía muy superior en comparación con un TVS. Este óxido metálico (ZnO) hace que los MOV sean muy efectivos en la absorción de transitorios de voltaje y brinda a los dispositivos la capacidad de manejar altos niveles de energía en un tamaño pequeño. Los MOV inician la conducción a un voltaje específico y detienen la conducción cuando el voltaje aplicado cae por debajo de un nivel de umbral. Si bien los varistores están disponibles en paquetes con plomo con un revestimiento epoxi en el que se ven muy similares a los condensadores de cerámica de disco, también están disponibles en paquetes de montaje superficial que permiten su uso en procesos de producción modernos.

Consideraciones de selección
Para seleccionar el varistor correcto para una aplicación determinada y, por lo tanto, asegurarse de que el circuito esté adecuadamente protegido, existen varios factores que los diseñadores deben tener en cuenta. El desafío a menudo se complica para hacer una selección completamente precisa, es necesario conocer la impedancia de la fuente y la potencia del pulso de cualquier transitorio posible y, como fenómenos naturales, a menudo esto no es posible. Desde una perspectiva eléctrica, el diseñador generalmente considerará el voltaje de trabajo del sistema que requiere protección, así como el voltaje transitorio máximo que el sistema puede soportar. En la medida en que el diseñador puede, determinar las posibles sobretensiones y sus características en términos de forma, amplitud y duración también es información útil, como saber si es probable que se repitan las sobretensiones. Además de esto, el diseñador considerará las clasificaciones de voltaje de CA y CC del componente, el rango de temperatura de funcionamiento, el valor de capacitancia y el tamaño físico. Muchos varistores también llevan aprobaciones relevantes para aplicaciones particulares, incluyendo AEC-Q200 para aplicaciones de automoción modernas.
Resumen
Claramente, los varistores son una propuesta convincente para los dispositivos electrónicos modernos debido a su capacidad para manejar descargas de energía relativamente grandes en un tamaño de paquete pequeño, con un coste aceptable. Los varistores de KEMET ofrecen clasificaciones de hasta 385 V y la capacidad de gestionar corrientes de sobretensión de hasta 1.200 A. Los dispositivos están disponibles en paquetes tan pequeños como 0603, pero pueden trabajar en ambientes hostiles con temperaturas tan altas como + 150 ° C. Muchos de los dispositivos cuentan con la calificación AEC-Q200 para la creciente cantidad y diversidad de aplicaciones para automoción. Una característica adicional de los varistores KEMET es que algunos están disponibles como dispositivos de doble función con condensadores X7R integrados en el mismo paquete, lo que brinda supresión y rechazo en un solo paquete para reducir el número de componentes y mejorar la fiabilidad del circuito.