Les varistances sont viables pour la protection contre les surtensions

La protection des équipements électroniques sensibles contre les tensions transitoires sous la forme de surtensions qui peuvent être des circuits émanant de relais ou de moteurs, ou d'événements ESD importants tels que la foudre, est un élément essentiel de la conception des équipements.
Diverses technologies existent pour protéger les circuits électroniques sensibles contre les surtensions, notamment les tubes à décharge gazeuse, les diodes de suppression de tension transitoire et les varistances à oxyde métallique. Bien que chacune d'entre elles soit une solution efficace, certaines sont naturellement mieux adaptées aux applications modernes où l'espace est limité et où le coût est un facteur clé.
Que sont les événements ESD et pourquoi sont-ils difficiles ?
La décharge électrostatique (ESD) est le flux soudain d'énergie électrique entre deux objets chargés. Cela peut être causé par un contact physique ou un court-circuit électrique, ou à la suite d'une panne diélectrique. Le type d'ESD le plus spectaculaire est la foudre lors d'un orage qui est classé comme un événement ESD à grande échelle. Cependant, des étincelles peuvent être produites par des événements plus petits qui constituent une menace sérieuse dans les zones contenant des gaz ou des vapeurs combustibles. Les décharges électrostatiques peuvent également être très nocives pour les composants électroniques, qui peuvent être endommagés de façon permanente ou même tomber en panne. Les événements ESD sont presque toujours le résultat d'une accumulation d'électricité statique, et cela est souvent dû à un phénomène connu sous le nom de charge triboélectrique, où deux matériaux différents entrent en contact par frottement. Les matériaux modernes tels que le coton, la laine, le polyester et d'autres matériaux vestimentaires sont particulièrement sensibles à la charge triboélectrique, faisant de l'homme une source clé d'événements ESD et constituant un défi généralisé pour l'industrie électronique, car tous les produits nécessitent une protection contre les événements ESD.
Comparaison des diodes TVS et des varistances
Bien qu'il existe plusieurs techniques pour supprimer les pointes à déplacement rapide causées par la décharge ESD, y compris les tubes à décharge gazeuse (GDT), deux des plus largement utilisées sont les diodes de suppression de tension transitoire (TVS) et les varistances à oxyde métallique (MOV). Bien que les deux protègent un circuit, il existe des différences significatives. Une diode TVS est un dispositif à semi-conducteur conçu pour détourner ou contourner les pointes de tension dans un circuit afin de fournir une protection. Leurs principaux avantages sont qu'ils ont généralement un temps de réponse rapide (souvent inférieur à 1 ns) et également une faible tension de blocage. Cependant, leur densité de puissance ne peut pas correspondre à celle de varistances de taille équivalente, et si elles essayaient de dissiper la même quantité de puissance que possible avec une varistance, elles seraient endommagées. En général, leur capacité de puissance est relativement limitée et lorsqu'ils échouent, c'est généralement sous la forme d'un court-circuit qui cause des problèmes pour le circuit qu'ils sont censés protéger.
Les varistances sont essentiellement des résistances dépendantes de la tension, ce qui signifie que leur résistance change en réponse à la tension qui leur est appliquée. Bien que leur temps de réponse soit généralement de l'ordre de la microseconde, ils offrent des capacités de surtension plus élevées et une plage de tensions de claquage plus large qu'un TVS. L'une des différences les plus notables entre les deux types d'appareils est la taille relative pour une absorption d'énergie donnée : la différence est significative, comme le montre la figure 1,

où une varistance de taille similaire est évaluée à dix fois le courant, ou un appareil de même capacité est au moins dix fois plus petit qu'un téléviseur comparable. Étant donné que les appareils portables modernes tels que les smartphones et les tablettes sont particulièrement exposés aux événements ESD, cette différence de taille (souvent appelée capacité de densité de puissance beaucoup plus élevée) est importante, car elle permet d'inclure une protection. disponible. Le fait que les varistances soient généralement moins chères que les dispositifs TVS est un autre facteur qui les rend particulièrement adaptées et intéressantes pour les concepteurs pour ce type d'application.
Conception et construction d'une varistance / MOV
Comme mentionné, les varistances sont des résistances dépendantes de la tension. Cependant, sa construction est très similaire à un condensateur et sa fonction est similaire à une diode. Dans les termes les plus simples, ils se composent de deux plaques métalliques avec un matériau de résistance pris en sandwich entre elles. Le matériau de réserve est principalement (environ 90%) de l'oxyde de zinc (ZnO) avec quelques autres charges pour former des liaisons entre les grains de ZnO qui ont été pressés dans un matériau de type céramique. L'utilisation de ZnO signifie que l'absorption d'énergie dans une varistance s'effectue sur la quasi-totalité du volume de l'appareil, alors que pour un TVS, seule la petite zone de jonction PN peut être éliminée. C'est l'une des principales raisons pour lesquelles un MOV a généralement des performances de densité d'énergie beaucoup plus élevées par rapport à un TVS. Cet oxyde métallique (ZnO) rend les MOV très efficaces pour absorber les transitoires de tension et donne aux dispositifs la capacité de gérer des niveaux de puissance élevés dans une petite taille. Les MOV démarrent la conduction à une tension spécifiée et arrêtent la conduction lorsque la tension appliquée chute en dessous d'un niveau de seuil. Alors que les varistances sont disponibles dans des boîtiers à plomb avec un revêtement époxy où elles ressemblent beaucoup aux condensateurs à disque céramique, elles sont également disponibles dans des boîtiers à montage en surface permettant leur utilisation dans les processus de production modernes.

Considérations de sélection
Afin de sélectionner la bonne varistance pour une application donnée, et donc de s'assurer que le circuit est correctement protégé, les concepteurs doivent prendre en compte plusieurs facteurs. Le défi est souvent compliqué de faire une sélection parfaitement précise, il est nécessaire de connaître l'impédance de source et la puissance d'impulsion de tout transitoire éventuel et, en tant que phénomène naturel, cela n'est souvent pas possible. D'un point de vue électrique, le concepteur prendra généralement en compte la tension de fonctionnement du système à protéger, ainsi que la tension transitoire maximale que le système peut supporter. Dans la mesure du possible pour le concepteur, déterminer les surtensions potentielles et leurs caractéristiques en termes de forme, d'amplitude et de durée est également une information utile, tout comme savoir si les surtensions sont susceptibles de se reproduire. En plus de cela, le concepteur prendra en compte les tensions nominales CA et CC du composant, la plage de température de fonctionnement, la valeur de capacité et la taille physique. De nombreuses varistances portent également des approbations pertinentes pour des applications particulières, y compris AEC-Q200 pour les applications automobiles modernes.
Résumé
De toute évidence, les varistances sont une proposition convaincante pour les appareils électroniques modernes en raison de leur capacité à gérer des décharges de puissance relativement importantes dans un boîtier de petite taille, à un coût acceptable. Les varistances de KEMET offrent des valeurs nominales allant jusqu'à 385 V et la capacité de gérer des courants de surtension jusqu'à 1.200 0603 A. Les appareils sont disponibles dans des boîtiers aussi petits que 150, mais peuvent fonctionner dans des environnements difficiles avec des températures aussi élevées que +200 °C. sont qualifiés AEC-Q7 pour le nombre croissant et la diversité des applications automobiles. Une caractéristique supplémentaire des varistances KEMET est que certaines sont disponibles en tant que dispositifs à double fonction avec des condensateurs XXNUMXR intégrés dans le même boîtier, offrant une suppression et une réjection dans un seul boîtier pour réduire le nombre de composants et améliorer la fiabilité du circuit.