- 98 -

Weerstanden door Willy Acke, ON4AW

Deel 8

III .VDR-weerstanden of Varistoren Een V.D.R. (Voltage Depending Resistor) is een spanningsafhankelijke weerstand met een niet-lineaire spanning=f(stroom) karakteristiek. Zijn weerstandswaarde verandert in functie van de erop toegepaste spanning. Andere benaming: varistor (variable resistor).

De meeste elektronische bouwelementen zijn erg gevoelig voor overspanningen, waardoor zelfs energie-arme impulsen van korte duur ze kunnen vernietigen. VDR’s worden daarom gebruikt om elektrische en elektronische uitrustingen te beschermen tegen overspanningen door deze naar een aarding af te leiden. Ze bieden een betrouwbare en goedkope bescherming tegen spanningspieken die voorkomen in gasontladingen (zoals bliksems), elektrische overvonkingen en stoorspanningen op hoogspanningslijnen, in het bijzonder op wisselspanningsgebied. De kenmerken van een VDR zijn meestal gebaseerd op een hevige geleiding gedurende een korte tijd op een onregelmatig onderbroken manier. De VDR zal hoge piekspanningen in amplitude begrenzen en aftoppen. In vergelijking met gewone dioden die door hun gelijkrichtende werking in bepaalde gevallen positieve pieken kunnen begrenzen of afsnijden, doen varistoren dat zowel in de positieve als in de negatieve zin, waardoor ze dus overgangsverschijnselen veel beter kunnen onderdrukken dan dioden. Varistoren bestaan uit een mengsel van materialen die een hoge weerstand vertonen tot op het ogenblik dat er een (te) hoge spanning op toegepast wordt.Op dat ogenblik biedt de varistor een weg met lage weerstand waardoorheen er meerdere ampères kunnen vloeien. Het overgangsverschijnsel wordt door de VDR opgeslorpt en de rest van (de componenten van) de schakeling die hem omgeeft, beschermd.

- 99 -

Fig. 110 De weerstand van een varistor verkleint naarmate de spanning over zijn klemmen toeneemt, vooral vanaf een bepaalde waarde die met verschillende benamingen aangeduid wordt, zoals klem- of clampspanning, drempelspanning, doorslagspanning, (niet aangeduid in de hierbovenstaande R-grafiek, wel in de rechtse figuur in de kniezone).

Oorzaken en gevolgen van overspanning

Volgens VDE-O-185 moeten elektrische installaties voldoende beveiligd worden tegen eventuele overspanningen of stoorspanningen d.m.v. een passende afleider. De meest voorkomende oorzaak van het optreden van stoorspanningen is de atmosferische ontlading. Bij een bliksemontlading kunnen stromen optreden die topwaarden van 100 kA bij zeer korte stijgtijden bereiken. De grote amplitude van de bliksemstroom veroorzaakt een spanningsverval over de aardweerstand van een gebouw, terwijl de hoge bliksemstroomsteilheid door inductie, hoge spanningen op lange leidingen verwekt. Zowel de amplitude als de steilheid van de bliksemstroom kunnen oorzaak zijn van het slecht functioneren of het defect raken van onbeveiligde elektronische componenten. Overspanningen kunnen ook ontstaan door schakelhandelingen in een hoofdvoedingsnet. Hierbij planten zich hoogfrequente vereffeningsverschijnselen op de hoogspannings-lijnen voort en ze worden naar de laagspanningscircuits overgekoppeld. Overspanningen en hoogfrequente stoorimpulsen kunnen bovendien in deze laagspanningsinstallaties optreden als gevolg van stroomonder-brekingen en fazesturingen. Een andere bron van beschadigingen vormen overspanningen ten gevolge van statische ontladingen en overspanningen door de elektromagnetische impuls van een kernexplosie buiten de aardse atmosfeer. De daardoor veroorzaakte kortstondige hoge spanningspieken kunnen de isolatie van geleiders en van gevoelige apparatuur ernstig beschadigen of vernietigen. In- en uitwendige beveiliging

Wenst men een installatie tegen overspanning beveiligen, dan is zowel een uitwendige als een inwendige beveiliging noodzakelijk. De uitwendige beveiliging is de klassieke bliksemafleiderinstallatie rondom bedrijfsgebouwen en woningen. Die belet echter niet dat een zware stootspanning van verscheidene kV (100 kV is geen uitzondering) via de voedingslijnen en de aarde, de elektrische installatie van gebouwen binnendringt en daar schade verwekt. Vandaar de noodzaak om naast de uitwendige ook een inwendige beveiliging te voorzien. Men verwezenlijkt ze door potentiaalvereffening, d.w.z. door spanningsbegrenzing en door de afscherming van toestellen (een soort mini-bliksemafleiders).

Spanningsbegrenzers Een spanningsbegrenzer bevat elektronische componenten die zowel tussen de fazen onderling als tussen iedere faze en de aarding van een net geschakeld zijn. Deze componenten hebben de eigenschap bij hoge spanning (> 1 kV) een zeer lage weerstand aan te nemen, met het gevolg dat de energie van de spanning

- 100 -

ogenblikkelijk naar de aarde afgevoerd wordt. Men kan, naargelang de aard van de te beschermen elektronische componenten, de spanningsbegrenzers in drie families indelen:

Fig. 111

Gasontladingsbuisjes bestaan uit een elektrodenpaar dat in een keramisch of glazen buisje ingebouwd is. Tussen de elektroden bevindt zich een edelgas (argon of neon). Komt er een overspanning op de gasgevulde spanningsafleider, dan ioniseert het gas tussen de elektroden en gaat over naar een laagohmige toestand .

De oorsprong van overgangsverschijnselen onder de vorm van spanningspieken

a) Een van de meest voorkomende bronnen van overgangsverschijnselen in vermogendistributiesystemen is de L(di/dt)-spanning die veroorzaakt wordt door de magnetiseringsstromen op het ogenblik dat grote transformatoren in- of uitgeschakeld worden, bv. binnen een industrieel gebouw of in een fabriek die gedeeltelijk voorziet in haar eigen stroomvoorziening.

b) Een tweede bron van bezorgdheid zijn de blikseminslagen tijdens hevige onweders. Men kan daartegen wel bliksemafleiders installeren, maar deze werken niet snel genoeg om de nanoseconden durende spanningspieken van miljoenen volt volledig te neutraliseren.

c) in de huizen of bedrijven zijn thyristorvoedingen, lasapparaten of medische toestellen een niet te onderschatten bron van spanningspieken. Zelfs een synchrone klok thuis of in een bedrijf kan tijdens een 24 uren periode spanningspieken veroorzaken, net zoals geschakelde voedingen voor computers en complexe elektrische voedingen voor moderne huishoudtoestellen. Op het wisselspanningsnet dat de huizen binnengeleid wordt, kunnen eveneens grote stoorpieken voorkomen.

Enkele kenmerken van varistoren

Oorspronkelijk bestonden er siliciumcarbide en metaaloxide varistoren, waarvan sommige uitvoeringen vandaag voorbijgestreefd zijn, vervangen door nieuwe, verbeterde types.

Een varistor is een halfgeleiderelement waarin de elektrische stroom veel sneller stijgt dan de spanning volgens een wet waarvan de vereenvoudigde vorm is: I= Vn.

Daarin is n begrepen tussen 3 en 35, afhankelijk van het type varistor. Bij siliciumcarbide (SiC) varistoren ligt n tussen 3 en 7. Bij de MOV (de beschrijving van de SiC en de MOV=ZnO-variant volgt hieronder), die bestaat uit een keramisch amorf intergranulair materiaal van zinkoxidekorrels, stelt men bij n > 25 en een lage klemmenspanning, een grote weerstand (108 Ω) vast, die snel niet-lineair afneemt in het controlebereik van 100 V tot 1000 V. Daardoor is de verandering van de VDR-spanning in functie van de stroom een niet-lineaire wet die vaak anders geschreven wordt dan I= Vn , namelijk als: V = K.I en voorgesteld wordt door de volgende stroom-spanning grafiek: (K en zijn constanten die de weerstand van de VDR omschrijven). In

- 101 -

veel gevallen is de stroom gelijk aan de vijfde macht van de spanning. Dan is K=1 en = 1/5 = 0,2 (of n = 5).

Fig. 112

In V = K.I is:

V = de spanning in volt K = een constante tussen 15 en 1200, opgegeven door de fabrikant bij een spanning over de klemmen van de VDR als er een stroom van 1 A doorheen vloeit. = een constante waarvan de fabrikant waarden opgeeft , bv. tussen 0,13 en 0,40. I = de stroom die door de weerstand vloeit, uitgedrukt in ampère. Om de maximumstroom te berekenen die door een VDR-weerstand mag vloeien, gebruikt men de uitdrukking die afgeleid is uit V = K.I :

β VI = K

De hierbovenstaande grafiek is in feite bipolair, hetgeen reeds in de eerste rechtse figuur min of meer tot uiting kwam. Dit betekent dat de varistor geleidt in de twee zinnen, zowel voor positieve als negatieve spanningspieken. Meestal stelt men de kenmerkende kromme dan ook als volgt voor:

- 102 -

Fig. 113 Enkele in de handel verkrijgbare varistoren hebben een drempelspanning, dit is een soort van ontsteekspanning of doorslagspanning, van 5 V tot 230 Veff. en kunnen daarbij een maximumstroom van 3000 A afleiden. VDR’s bestaan ook in zeer kleine SMD-uitvoering, maar daarvan moet men geen grote waarden van spanning en stroom verwachten. Met de steeds verder vorderende toepassing van digitale technieken en de I.C.’s die gevoed worden met +5 V TTL-spanning, heeft men in het bijzonder laagspanningsvaristoren ontwikkeld voor de bescherming van 5 tot 15 V gestabiliseerde voedingen. Het varistoren-spanningsspectrum strekt zich vandaag meestal uit van 5 V tot 500 V. Dit geldt ook voor de SMD-(zeer kleine componenten)-bouwvorm, bv. in schakelingen van moderne telefonie en telefooncentrales. Indien men te lange aansluitdraden gebruikt naar de VDR, zal de eigen zelfinductie (=L) daarvan de nanosecondenrespons op piekspanningen nadelig beïnvloeden, d.w.z. verlengen. Voor hoogfrequente toepassingen zijn varistoren niet geschikt wegens hun eigen capaciteit C en die eigen zelfinductie L. Deze L en C vormen samen een laagdoorlaatfilter dat hoge frequenties sterk verzwakt of zelfs kortsluit. Tot 30 kHz bestaat deze filterwerking niet, zodat men algemeen gezien varistoren tot 30 kHz probleemloos kan toepassen.

Enkele termen die varistoren typeren Varistoren kunnen en mogen in parallel geschakeld worden teneinde hun energieverwerkende capaciteit te vergroten. Men kan ze ook in serie plaatsen om te weerstaan aan hogere spanningen. Meestal wordt daarbij gerefereerd naar een maximum gelijkspanning, waarbij ook een lekstroom wordt opgegeven die mag vloeien tijdens een werking in standvastige toestand. Andere kenmerkende grootten zijn de eigen capaciteit van de VDR, de snelheid in nanoseconden waarmee gereageerd wordt op plots optredende piekspanningen, de grootste waarde van de klemmenspanning die de VDR op dat ogenblik nog aankan,

- 103 -

samen met de grootste stroom, zonder vernietigd te worden, en de nog verdraagbare opwarming bij het dissiperen van veel energie. Op het ogenblik dat de VDR in werking treedt door het overschrijden van de ‘clamp’-spanning, leidt hij immers al de stroom af van de te beschermen belasting waarmee hij parallel staat, en grote stromen vloeien op dat ogenblik door de varistor zelf. Gespecifieerd wordt eveneens de grootste effectieve waarde van de wisselspanning die over de klemmen van de VDR nog mag toegepast worden. Wanneer een varistor vaak onderworpen wordt aan hoge energiepieken, zij het op gelijkspannings- , wisselspannings- of impulsspanningsgebied, zal dat zijn levensduur verkorten , en wel op exponentiële wijze. Gedetailleerder:

1. Varistorspanning

Dit is de spanning die men meet tussen de twee klemmen van de VDR wanneer er een stroom van 1 mA doorheen vloeit. Indien de VDR zeer kleine afmetingen heeft, bv. bij types voor SMD-inbouw, dan kan 1 mA te groot uitvallen in termen van de warmte die erdoor ontwikkeld wordt en herdefinieert men de varistorspanning als de waarde die tussen de twee varistorklemmen gemeten wordt op het ogenblik dat er 0,1 mA doorheen deze component vloeit.

2 . Maximum toelaatbare klemmenspanning Deze is bepaald door de grootste waarde van de spanning die continu mag toegepast worden tussen de varistorklemmen zonder dat de VDR na enkele tijd beschadigd wordt of het rendement van zijn werking verkleint, merkbaar doordat zijn reactiesnelheid tegen overgangsverschijnselen afneemt. Het is aan te raden deze grootste spanning in een bepaalde toepassing iets kleiner te kiezen dan hetgeen de fabrikant aangeeft op gelijkspannings- of wisselspanningsgebied. Indien een kortstondig storend impuls een amplitude heeft die groter is dan de maximum toegelaten spanning, kan de VDR smelten, opbranden, verdampen, dus vernietigd worden en zelfs brand veroorzaken. Men doet er dus goed aan de gegevens van de fabrikant goed na te lezen vooraleer een VDR te kiezen voor een bepaalde toepassing waarin onverwacht hoge spanningspieken als overgangsverschijnsel (zouden) kunnen optreden. De energie waarbij dit gebeurt wordt uitgedrukt in joules, gemeten volgens de hieronder besproken 8/20 microseconden (= stijgtijd en daaltijd van een onderzochte impuls) of 10/1000 microseconden industrie-standaard. Voor de bescherming van telefoonlijnen worden volgens IEEE C62.32 VDR’s met een zeer geringe capaciteit gebruikt. (ref.: “Varistor Basics and Surges and Spikes”, volgens IEC 61000-4-5) Enkele definities

A) Als een spanning plots boven een normaal spanningsniveau, bv. 220 volt (effectief) uitstijgt, spreekt men over een spanningspiek wanneer deze toestand 1 tot 2 nanoseconden lang aanhoudt. Duurt deze toestand minstens 3 nanoseconden of langer, dan spreekt men over een (golvende) schommeling of uitbraak.

- 104 -

Fig. 114

Wanneer een piek of schommeling lang genoeg duurt, zal de schakeling of het toestel dat daaraan onderworpen wordt, beschadigd worden, omdat op netspanningsgebied pieken van 6000 volt geen uitzondering zijn.

B) Industriestandaard testprocedure

Een blikseminslag of andere piek kan tijdens het testen van een varistor gesimuleerd worden door een vervangende golfvorm van een stroomimpuls die men een (T1/T2) = 8 (sec)/20(sec) impuls noemt. T1 heet de toplengte en T2 de staartlengte. Impulsen kunnen allerlei vormen aannemen, ook rechthoekige, en een 2 milliseconden lang durende golf als overspanning wordt bij een varistorgebruik reeds als zeer lang beschouwd vermits men van een VDR een korte aanspreektijd verlangt .

Fig. 115

- 105 -

De grootste waarde van de spanning waarop een varistor doorslaat hangt af van zijn totale oppervlakte, de golfvorm van de stroom, de veelvuldigheid waarmee een overgangsverschijnsel optreedt en hoe snel de varistor daarop reageert. Men kan door diverse testen de grootste stroompiek bepalen en meten die de VDR toch zal vernietigen en de vorm van deze impuls meten, zijn duur en het aantal impulsen per seconde. Dan is men gewaarschuwd dat deze waarden niet mogen toegelaten of overschreden worden. De industriestandaard testprocedure maakt gebruik van zowel de hierbovenstaande als de hierondervolgende op een algemene manier voorgestelde golfvorm, met als toepassing de standaard 8/20 sec.

Fig. 116

3. Spanningsbegrenzing/begrenzingsspanning

Dit begrip heeft betrekking op de hoogste spanningspiek die een varistor gedurende enkele micro-seconden nog aankan tijdens een blikseminslag. Dan kunnen er doorheen deze component stromen vloeien tussen 1 A en 100 A die de varistor sterk zullen opwarmen, en daar is een limiet aan. Deze soort begrenzende eigenschap van een varistor noemt men zijn absorptievermogen.

Hoe groter de spanning is waarvoor een varistor ontworpen is, des te dikker zal de fysische uitvoering ervan zijn. Hoe de diameter van een schijfvormige uitvoering daarin een rol speelt kan men best natrekken door de specificaties van de fabrikant te bekijken.

4. Lekstroom

Dit is de stroom die vloeit op het ogenblik dat de maximum toelaatbare spanning toegepast wordt op de VDR. Vermits dit in continu gebruik gebeurt, zal de lekstroom normaal minder dan 1 mA moeten bedragen, bijvoorbeeld typisch een halve milliampère. In het geval dat men op de varistor een wisselspanning toepast, zal de eigen capaciteit van de VDR er voor zorgen dat de lekstroom vergroot, omdat hij aangevuld wordt met een capacitieve lekcomponent.

- 106 -

5) Meetstroom

De meetstroom is de stroomsterkte die normaal gebruikt wordt bij het gekozen type varistor. De waarde van deze meetstroom bedraagt 1, 10 of 100 mA. 6) Meetspanning Dit is de spanning die overeenkomt met de meetstroom. De waarde van de meetspanning bedraagt 8 V tot 1000 V. 7) Maximum vermogen Het maximum vermogen, meestal tussen 0,5 en 10 W, bepaalt de grenswaarden voor het gebruik van een VDR-weerstand. 8) Tolerantie De tolerantie van VDR-weerstanden wordt uitgedrukt in vergelijking met de erop toegepaste spanning. Ze bedraagt meestal +20% van de spanning (bij de waarde van de meetstroom) en vermeerdert lichtjes als men van deze meetstroom afwijkt. 9) Eigen capaciteit van de varistor De eigen capaciteit van een varistor blijkt evenredig te zijn met het kwadraat van zijn diameter. Uit de algemene definitie van de capaciteit van een element waarop een potentiaalverschil dV wordt toegepast C = dq/dV, blijkt dat hoe lager de varistorspanning is, des te groter zijn capaciteit zal zijn. Afhankelijk van de afmetingen van de VDR kan de eigen capaciteit daarvan enkele tientallen pF bedragen, maar ook oplopen tot enkele duizenden pF, dus nanofarads. Varistoren kunnen om die reden niet ingezet worden in UHF- of VHF-toepassingen, zelfs niet bij hoge HF. Codering Sommige fabrikanten merken een VDR met een kleurstip, zoals een witte stip voor aanduiding van de kathode bij een asymmetrische VDR (asymmetrische: hieronder besproken als varistor uit bariumtitanaat). Er bestaan ook VDR's met een oranje punt, bv. de E 295 ZZ/02. Deze VDR’s werden ontwikkeld om de prestaties te verbeteren van kleine motoren die op batterijen werken in grammofoonplatenspelers en magneetbandopnemers. Sommige VDR-weerstanden zijn voorzien van 3 of 4 kleurenbanden, vergelijkbaar met de gebruikelijke code van gewone weerstanden. Alhoewel de gebruikte kleuren cijfers voorstellen, komen de waarden overeen met een speciale code volgens de hieronderstaande figuur:

- 107 -

Fig. 117

De merking met drie of vier banden heeft de volgende betekenis: - band A: tolerantie; zilverkleurig voor een afwijking van 10 % . Indien deze band niet bestaat,

hetgeen frequent voorkomt, bedraagt de tolerantie 20% .

- band B: meetstroom, volgens de code 1=100 mA, 2=10 mA, 3=1 mA (een 1 mA varistor is bv. het type E297ZZ 04 voor 12 V werkspanning).

- banden C en D: de meetspanning volgens de hieronderstaande code Band C: 16 = 8 V ; 18 = 10 V ; 20 = 12 V; 22 = 15 V ; 24 = 18 V ; 26 = 22 V ; 28 = 27 V ; 30 = 33 V ; 32 = 39 V ; 34 = 47 V ; Band D: 36 = 56 V ; 38 = 68 V ; 40 = 82 V ; 42=100 V;44 = 120 V ; 46 = 150 V ; 48=180 V ; 50 = 220 V ; 52 = 270 V ; 54 =330 V .

Wat betekent bv. 20 = 12 V? Volgens de gewone kleurcode van weerstanden weten we dat 2 = rood en 0=zwart . Een 12 V varistor zal gekenmerkt worden door een rood, gevolgd door een zwart blokje. We verwijzen voor dit alles ook naar de figuur 4 bladzijde 3 van deze inleiding tot de weerstanden, waar ook de VDR-codering vermeld werd met onder meer de betekenis van de banden C en D in kleuren. (ref. “Bijzondere weerstanden”, cursus Transmissieschool Vilvoorde)

- 108 -

Halfgeleidereigenschappen van de keramische structuur van VDR’s

Een halfgeleider is een stof die qua elektrische geleiding het midden houdt tussen een geleider en een isolator. Qua structuur is hij eigenlijk een isolator, maar hij is gemakkelijk in de geleiding te sturen. De soortelijke weerstand van varistoren ligt tussen deze van geleiders en isolatoren. Als resistiviteit meet men bij halfgeleiders 10-2 tot 10-5 ohms-cm, terwijl dit voor isolatoren 106 tot 1015 ohms-cm is.

1) De elektrische geleidbaarheid in keramische materialen

Een keramisch materiaal kan zowel de eigenschap van isolator als van elektrische geleider vertonen. De volgende tabel verduidelijkt dit bij bepaalde keramische materialen:

Fig. 118

2) De Italiaan Fermi heeft “fermi-niveau’s” gedefinieerd als “bandenstructuur” met een valentieband en

een geleidingsband voor metalen, halfgeleiders en isolatoren. De valentieband ontleent zijn naam aan het feit dat het de elektronen (de valentie-elektronen) zijn die voor een binding tussen de atomen zorgen; hun aantal per atoom bepaalt de valentie of waardigheid van dat atoom. De elektronen in de geleidingsband worden geleidingselektronen genoemd. Bij een temperatuur van nul graden kelvin zit de valentieband vol en is de geleidingsband leeg. Tussen de twee soorten banden ligt de bandopening (de zogenaamde ‘gap’) Eg met gangbare nederlandse naam: ‘verboden zone’, of ook wel ‘bandkloof’, gelijk aan het energieverschil tussen de bovenkant van de valentieband en de onderkant van de geleidingsband.

- 109 -

Fig. 119

Materialen waarin de valentieband en de geleidingsband elkaar overlappen, zoals metalen, geleiden elektrische stroom. Bij andere materialen moet er uitwendig een zekere energie toegepast worden, uitgedrukt in electron-volt, om de afstand Eg zodanig te overbruggen opdat er ook elektronengeleiding zou mogelijk worden en plaatsgrijpen. Halfgeleiders behoren tot een groep waarin Eg gelijk is aan tussen 0,02 eV en 2,5 eV. Bij keramische halfgeleiders, zoals bij VDR’s, is Eg meestal gelijk aan 1,1 eV. Samengevat bedraagt de energiesprong tussen de valentieband en de hoger gelegen geleidingsband van een materiaal bij:

- een isolator > 5 eV - een halfgeleider ~ 1 eV - een geleider < 0 eV (= overlapping van valentie- en geleidingsband) .

Door halfgeleidermaterialen zoals silicium en germanium te doperen met verontreinigingen zoals aluminium (=acceptor=positief =p-type) en boor (=donor=negatief=n-type), kan men Eg verkleinen, dus de geleiding stimuleren, maar daar gaan we hier niet op in, want deze methode is niet aan de orde bij varistoren en we kennen ze voldoende uit de studie van de dioden en de transistoren.

Wanneer een elektron geëxciteerd wordt, d.w.z. in een elektrisch veld geplaatst, dat ontstaat door een potentiaalverschil toe te passen over de klemmen van een varistor, dan beweegt het elektron van de valentieband naar de geleidingsband, springt over de verboden zone en veroorzaakt daardoor een positief gat in de valentieband, hetgeen men ziet gebeuren in de middenste figuur hierboven. In welke mate dit mogelijk is, hangt af van de zogezegde intrinsieke geleidbaarheid van het varistormateriaal.

(ref.: “Semiconductor ceramics: Varistor applications” door Digi-Key Electronics + Springer Verlag: Ceramic Materials door L.L.C. 2007)

- 110 -

Varistortester

Fig. 120 De H65 kombitester herkent automatisch en onmiddellijk of de geteste component een varistor is of een gasontladingsbliksemafleider, en de serieschakeling van deze twee componenten kan ook beproefd worden. Bij het testen van VDR’s wordt de daarop toegepaste spanning zodanig in grootte ingesteld, dat de stroom doorheen de geteste varistor 1 mA bedraagt.