Circuiti di protezione a varistori.

Le resistenze dipendenti dalla tensione, dette anche varistori, sono poco conosciute ed usate dai dilettanti di elettronica. Un peccato, perché, grazie alle loro peculiari caratteristiche, sono ottimamente adatti per proteggere i circuiti elettronici ed i semiconduttori contro le tensioni eccessive. Per far conoscere meglio questi utili componenti, questo articolo descrive come funzionano, le loro caratteristiche ed inoltre fornisce qualche esempio applicativo tipico.

Figura1 – La resistenza di un varistore (resistenza dipendente dalla tensione)
dipende dalla tensione applicata (a)

I varistori, che sono classificati per convenzione come “resistenze non lineari”, sono composti da carburo di silicio, ossido dì zinco (zincite)[1], oppure ossido di titanio. I granuli di tali materiali vengono sinterizzati ad alta temperatura, in modo da formare una ceramica vetrosa. Un’eminente qualità delle resistenze dipendenti dalla tensione (VDR) è la caratteristica simmetrica che lega la loro resistenza alle variazioni della tensione applicata ai loro terminali (Figura 1a); essa è cioè indipendente dalla polarità. Ciò è dovuto al fatto che, per quanto ciascun singolo contatto nella massa resistiva possa raddrizzare, la distribuzione casuale di un gran numero di contatti in serie od in parallelo dà come risultato numeri uguali di contatti che rettificano in direzioni opposte. Questa caratteristica rende tali componenti perfettamente adatti per le correnti alternate, con le quali non è possibile usare i diodi di protezione.
E’ possibile comprendere nel modo migliore il funzionamento di un varistore, considerandolo come se fosse una coppia di diodi zener collegati a polarità opposte. Al di sotto di una certa tensione, la corrente è bassa. perché la resistenza è elevata. Quando la tensione aumenta, la resistenza diminuisce o la corrente aumenta con legge esponenziale (Figura 1b).
La relazione tra la tensione U e la corrente I in un varistore può essere espressa da U=CI b, dove b è in volt, I in ampere, mentre C e b sono costanti caratteristiche del materiale resistivo. La corrente aumenta con legge esponenziale quando aumenta la tensione (b)
I valori pratici di C variano da 14 ad alcune migliaia alcuni valori di b sono dati in Tabella1. Quando la tensione e la corrente sono rappresentate in una scala logaritmica doppia, la caratteristica U/I è rappresentata da una linea retta con pendenza b. Questa caratteristica devia dall‘andamento rettilineo solo quando la corrente è molto bassa. Per poter usare certi tipi di VDR non è necessario, rigorosamente parlando, conoscere la loro caratteristica. E’ di solito sufficiente conoscere alcuni dati, come:
1) Il livello di tensione al “ginocchio”, cioè la tensione alla quale il varistore inizia a lavorare. L’acutezza del ginocchio della caratteristica è una funzione del materiale usato: i varistori all’ossido di zinco, per esempio, hanno un ginocchio più pronunciato rispetto ai tipi al carburo di silicio. I varistori all’ossido di titanio, hanno un livello di ginocchio relativamente basso (a partire da 2,7 V). La tensione di ginocchio è data per una determinata corrente, che dipende dal valore della VDR.
2) (vedi Figura 2). Questa costante è più bassa per i varistori all’ossido di zinco, e ciò vuol dire che anche un piccolo aumento della tensione provoca un forte aumento della corrente una salvaguardia per i semiconduttori.

Figura 2. Il grafico della tensione e della corrente su una scala logaritmica permette di determinare β. Questa è la curva caratteristica standard tornita dal fabbricante.

Tabella 1. Confronto tra varistori di tipo diverso.

3) Massima corrente di picco, cioè la massima energia impulsiva che il componente è in grado di dissipare: questo è. naturalmente, un parametro importantissimo nei circuiti di protezione!
4) Possibilità di carico continuativo, che è un fattore importante quando il varistore e usato in un circuito regolatore od in presenza di impulsi ad elevata frequenza.
Applicazioni
I varistori sono particolarmente usati per la soppressione dei disturbi impulsivi ad alta energia, come quelli prodotti dai fulmini o quelli provocati dalla interruzione di carichi induttivi. Queste interruzioni possono essere dovute all’azione di un interruttore (anche magnetico), di un fusibile, o di un semiconduttore. Se questo semiconduttore è un tiristore detto anche raddrizzatore controllato al silicio o triac), non dovreste attendervi inconvenienti se l’interruzione avviene esclusivamente nell’istante in cui l’onda della tensione di rete attraversa la linea di zero, in modo che non venga indotta nessuna forza contro-elettromotrice. Questa affermazione non è però del tutto vera perché la commutazione avviene non appena la corrente diventa inferiore al livello di mantenimento (cioè la corrente necessaria per mantenere in conduzione il tiristore). Il valore di mantenimento non è zero, e di conseguenza viene indotta una piccola forza contro-elettromotrice. Nella maggior parte dei casi, l’energia magnetica (1/2 LI2) viene dissipata in un diodo e nella parte resisti va dell’autoinduzione ( I è la corrente al momento dell’interruzione ed L è l’induttanza totale del circuito). Spesso, però, l’autoinduttanza è pilotata in c.a. e ciò rende impossibile impiegare un diodo: in questo caso, la sola soluzione è un varistore.

Figura 3. Come avviene la generazione di impulsi del disturbo sulla tensione di rete.

Quando un fusibile interrompe l’alimentazione, ad un apparecchio, provoca un istantaneo aumento della tensione dl rete. Le altre apparecchiature, se non protette, possono essere danneggiate da questo impulso.

Figura 4 . protezione di un tiristore, In un relé elettronico: VDR1 sopprime Il disturbo all’origine, mentre VDR3 sopprime I disturbi dl origine esterna. alternativamente, la VDR2 può essere collegata in parallelo al tiristore stesso.

Un tipico circuito di protezione che impiega un varistore è mostrato in Figura 4. Nella posizione 1, il varistore è collegato immediatamente ai capi del carico induttivo ed attacca il disturbo proprio all’origine.
Osservare che l’autoinduzione del collegamento al tiristore, unitamente alla capacità parassita del tiristore (interrotto), forma un circuito in serie, nel quale possono avvenire oscillazioni.
Non è facile calcolare le conseguenze perché la VDR, considerate la sua capacità ed induttanza parassite, ha un circuito equivalente piuttosto complicato.
Con il varistore in posizione 2 (Figura 4), cioè in parallelo al tiristore, potrebbe darsi che la soppressione dei disturbi sia leggermente inferiore rispetto a quella del primo metodo; d’altra parte, il tiristore stesso è meglio protetto. Se scegliete il primo metodo, cioè la soppressione all’origine, è consigliabile collegare un varistore anche in posizione 3. In questo modo, verranno soppressi tutti i disturbi che possano penetrare nel circuito tramite la rete elettrica. Alcune altre applicazioni del varistore sono illustrate in Figura 6, dove a, b e c sono esempi di protezione contro le sovratensioni o le interruzioni di tensione.

Figura 5. Schema sostitutivo di una VDR, con un’induttanza L (compresa quella del terminali). una capacità parassita C, una resistenza in serie Ra ed una resistenza in parallelo Rp.

Figura 6. Alcune altre applicazioni del varistore: a) protezione di contatti, in modo analogo alla protezione di un tiristore. b) protezione del collettore di un motore C.C.. c) protezione di un circuito a ponte con carico induttivo. d) Regolazione o limitazione di tensione (taglio del picchi).

L’applicazione d è differente, in quanto permette di regolare una tensione in modo analogo a quanto avviene con un diodo zener. Una speciale caratteristica del varistore è che la polarità della tensione d’ingresso non ha importanza. In linea di principio, è possibile convertire una tensione d’ingresso sinusoidale in una tensione d’uscita rettangolare. Tenere però presente che un varistore, inserito in un circuito regolatore, deve poter dissipare una potenza piuttosto elevata. Ecco alcuni altri punti da tenere in considerazione quando scegliete una VDR per una particolare applicazione:
Il livello della tensione di ginocchio della VDR deve essere inferiore alla tensione di picco alla quale il componente protetto può resistere senza essere danneggiato.
Tensione massima (Up) ai capi della VDR, in condizioni normali (nelle applicazioni in c.a. Up = 1,414 Ueff). Come regola empirica, la corrente nella VDR a questa tensione deve essere minore di 1 mA.
Corrente massima in condizioni transitorie.
Potenza dissipata nella VDR durante un impulso di disturbo. Con la VDR collegata ai capi di un’induttanza, questa potenza è sempre minore di 1/2 LI2.
Dissipazione media, particolarmente se la frequenza degli impulsi è elevata o se la tensione di ginocchio non è molto più elevata della normale tensione di funzionamento.

[1] La Zincite è un composto di ossido di zinco con una durezza pari a circa 4,5 Mohs. E’ stata trovata in formazioni naturali nel New Jersey con la Willemite e la Franklinite. I cristalli di Zincite più grandi e spettacolari arrivano dalla Polonia. La Zincite polacca rappresenta un caso curioso. Si è formata come conseguenza delle esalazioni di zinco prodotte spontaneamente nelle ventole e nei camini degli esalatori di una fabbrica.

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