Este artigo é a continuação da série de explicações sobre os tipos de resistores. A bola da vez é o Varistor. O símbolo utilizado para representa-lo está aqui:
Imagem 1 - Simbolo utilizado para representar o Varistor em diagramas
O Varistor é um tipo de resistor que só conduz energia de forma significativa se aplicada uma tensão muito alta, e sendo assim, ele pode ser utilizado na proteção de circuitos eletrônicos.
A principal característica do Varistor é que ele tem uma alta resistência elétrica quando baixas tensões são aplicadas, mas para tensões mais altas essa resistência cai, fazendo com que o componente conduza. Como resultado, eles podem ser usados para proteção contra surtos.
Este componente é escolhido de forma que não conduza para tensões normalmente aplicadas no circuito, operando com valor mais alto e servindo contra surtos de tensão. Quaisquer grandes oscilações transitórias são curto-circuitadas e dissipadas, protegendo assim o dispositivo.
Um varistor é colocado em paralelo no circuito, ou seja:
Diagrama 1 - Como o varistor é posicionado ao circuito
A qualquer sobretensão da fonte que ultrapasse o limite das peças do circuito, o varistor irá conduzir, evitando assim que a lâmpada queime. Os surtos de tensão podem durar milissegundos ou até menos, por isso o Varistor suporta tensões muito altas.
Quando esses surtos de tensão se mantém por alguns instantes, o varistor entra em curto (queima), ou seja, ele dá sua integridade pelo restante do circuito. As fabricantes de circuitos podem colocar no componente um material anti-chamas para evitar que surtos de tensão longos façam com que o equipamento pegue fogo por causa da força (Diferença de Potencial) aplicada sobre o componente, que faz ele superaquecer imediatamente.
A tensão de ruptura de um Varistor, que é o nível de tensão em que ele passa a conduzir pode variar: há modelos deste componente que suportam uma tensão de ruptura de 18 V como também há modelos que suportam uma tensão de 300 Volts. Existem modelos de até 1800 V. Para ter certeza de sua tensão de ruptura, capacitância, potência, entre outros fatores é sempre bom verificar a numeração impressa no componente e pesquisar na internet ou em seu datasheet (folha de dados).
EXEMPLO 1:
Se a fonte do Diagrama 1 tem que fornecer 22 Volts para a lâmpada, e a lâmpada suportar até 25 volts, o Varistor tem que ter uma tensão de ruptura de 25 Volts ou próximo deste valor. Se haver um surto de tensão da fonte e ela for a 29 Volts por 3 milissegundos por exemplo, a tensão de ruptura do varistor vai ser ultrapassada e durante estes 3 milissegundos ele vai conduzir a corrente evitando assim que a lâmpada queime.
Em resumo, a tensão de ruptura deve ter um valor que proteja o limite máximo dos outros componentes do circuito.
O componente detalhado neste artigo possui uma vida útil que pode variar de acordo com os surtos de tensão, pois o material que o constitui vai se deteriorando com com as sobrecargas até um momento em que ele entre em curto.
A forma mais eficaz de testa-lo é verificando sua integridade física: se ele tiver manchas de queimado e ou trincas em sua estrutura significa que ele precisa ser substituído.
A resistência elétrica (Ohms) do Varistor é alta e só abaixa com tensão, então um multímetro não serve para concluir que o varistor esta bom, mas sim apenas para constatar que o componente em questão esta em curto caso se encontre uma resistência baixa.
De que material o dispositivo é feito?
Os Varistores são projetados com materiais em que a resistência elétrica mude significativamente com a tensão aplicada. Este componente só passa a conduzir, de fato, quando a tensão ultrapassar um limite, e este limite pode variar de acordo com o material utilizado, bem como a 'porção' dele que o componente possui.
Um varistor é composto por uma cadeia de cerâmica policristalina e os modelos mais utilizados atualmente são feitos com grãos de Óxido de Zinco. Observe os átomos abaixo:
Imagem 2 - Ligação covalente que forma o Óxido de Zinco
Para se tornar estável, o Oxigênio precisa fazer duas ligações covalentes, isto é, ligar dois de seus elétrons da última camada (camada de valência) com os dois elétrons do Zinco.
CURIOSIDADE: Para saber mais sobre o metal não-ferroso Zinco e suas aplicações, CLIQUE AQUI!
Para além do Óxido de Zinco, a cerâmica de Carbeto de Silício (SiC) é outra opção. É mais recente, mas funciona tão bem quanto os mais comuns!
CURIOSIDADE: Como tanto o Óxido de Zinco e o Carbeto de Silício são semicondutores, vale a leitura do artigo dedicado ao assunto: Semicondutores: O que são e como funcionam?
A característica de condução de eletricidade de um Varistor, seja ele de Óxido metálico ou Carbeto de Silício pode ser expressa na seguinte fórmula matemática:
Onde:
> I é a corrente elétrica através do dispositivo;
> k é a constante dielétrica do material;
> V é a tensão elétrica aplicada;
> n é um valor que define o material utilizado
Tipicamente, para o SiC o valor de "n" está entre cerca de 3 e 7, mas para o dispositivo de ZnO o valor pode estar na região de 20 até 50, tornando a característica muito mais nítida.
Observe agora a curva característica de um varistor de Óxido metálico:
Gráfico 1 - Curva característica de um Varistor
A área circulada de verde mostra que, enquanto o varistor não estiver conduzindo, uma pequena corrente de fuga pode passar, mas esta corrente é considerada desprezível. Somente quando a tensão que o alimenta ultrapassar um determinado limite, o varistor vai passar a conduzir, independente de sua posição no circuito (ele não possui polaridade).
Gráfico 2 - Comparação entre ZnO e SiC
Note que a curva para o Varistor de SiC é mais aberta que para o de ZnO. Isso significa uma corrente de fuga levemente maior para o SiC.
Como foi dito no artigo sobre condutores e isolantes, conforme o aumento de temperatura, o material pode conduzir uma pequena quantidade de corrente elétrica, já que o ZnO pertence a classe dos semicondutores. Ao receber energia externa (Energia térmica, luminosa ou até mesmo mais energia elétrica) os elétrons que estão na banda de valência sobem para a banda de condução e assim conseguem circular pela cadeia de átomos.
A rigidez dielétrica é isso, e como já foi explicado, quando há a polarização do material ocorre a condução. Para saber mais sobre condutores e isolantes, CLIQUE AQUI. Para saber mais sobre Eletrostática, CLIQUE AQUI!
Mas o que torna o Óxido de Zinco uma cerâmica? Para saber mais sobre o processo de produção de cerâmicas (sinterização) e sobre os vários compostos químicos utilizados pela indústria, recomendo a leitura do texto dedicado ao assunto! Para isso, basta CLICAR AQUI e CLICAR AQUI!
CURIOSIDADE: O Óxido de Zinco pode ser utilizado como 'carga branca' (pó de reforço) em ligas poliméricas! Para saber mais sobre 'cargas brancas', CLIQUE AQUI!
A estrutura do componente
A concepção física de um varistor se assemelha muito com um capacitor:
Diagrama 2 - Este desenho também vale para os varistores de SiC
Na fabricação, o pó cerâmico ZnO ou SiC é comprimido, normalmente em forma de disco, e depois sinterizado em alta temperatura, geralmente em torno de 1200 °C.
Nas faces deste disco de cerâmica, dois eletrodos metálicos são afixados. Eles possuem uma determinada dimensão (T) para formar um campo elétrico. Cada eletrodo está ligado num pino do componente.
É importante ressaltar que, assim como num capacitor a distância entre os eletrodos, a quantidade de material aplicada entre eles influência na capacitância, na potência, na corrente de fuga, na tensão de ruptura, enfim, em todas as características do componente.
O invólucro é o acabamento, o revestimento do componente. Esse revestimento pode ser de cerâmica ou de outro material isolante, como por exemplo resina plástica de poliepóxido. Veja a foto abaixo e note que você não enxerga a parte interna do componente, mas sim seu invólucro pintado de azul com símbolos de identificação e os dois pinos.
Os varistores estão disponíveis em vários formatos:
→ Formato de disco (tal qual os capacitores de cerâmica);
→ Dispositivos guiados axialmente (tal qual os resistores axiais);
→ Ou blocos com terminais de parafuso (para dispositivos de alta potência).
Talvez os mais comuns são os que estão nos equipamentos eletrônicos que nos rodeiam, e estes são semelhantes aos capacitores de cerâmica:
Imagem 3 - Eles também são semelhantes aos termistores!
A nomenclatura do varistor de óxido (que é o mais utilizado no mercado) consiste na sigla M.O.V (Metal Oxide Varistor), seguido de seu diâmetro em milimetros, após, sua tolerância e a tensão RMS de trabalho do componente. Esta nomenclatura pode variar, pois diferente dos resistores axiais e SMD, não foi criado um padrão seguido por todos, e sim alguns padrões diferentes.
Vale ressaltar que a tensão nominal que o Varistor suporta pode estar em valor RMS ou valor da tensão alternada, e isso dependerá do fabricante. Alguns utilizam a abreviação V.D.R (Voltage Dependent Resistors).
Neste artigo, vou detalhar o sistema de identificação da Siemens para varistores:
S XX K YYY
Onde:
> XX : Capacidade de corrente;
> YYY: Tensão RMS de trabalho.
Veja os exemplos:
-> S20K150: Tensão de 150 Volts RMS. Suporta 100 picos de 270 A com duração de 10 µs ou 1 pico de 50 A durante 1 segundo;
-> S14K150: Tensão de 150 Volts RMS. Suporta 100 picos de 170 A com duração de 100 µs ou 1 pico de 21 A durante 1 segundo;
-> S10K150: Tensão de 150 Volts RMS. Suporta 100 picos de 70 A com duração de 100 µs ou 1 pico de 11 A durante 1 segundo;
-> S20K175: Tensão de 175 Volts RMS. Suporta 100 picos de 270 A com duração de 100 µs ou 1 pico de 50 A durante 1 segundo.
Em geral, quando o número é seguido da letra "K" indica que o varistor possui uma tolerância de 10% em relação as suas especificações.
De qualquer forma é sempre bom ter acesso ao datasheet do componente, afinal de contas vários parâmetros precisam ser vistos ao projetar um circuito que inclua um Varistor. Dentre as especificações podemos citar:
→ Tensão de fixação: Esta é a tensão na qual o Varistor começa a mostrar uma condução significativa; → Tensão nominal: Esta tensão, declarada como CA ou CC, é a tensão máxima na qual o dispositivo pode ser usado. Normalmente, é melhor ter uma boa margem entre a tensão nominal e a tensão de operação, embora isso precise ser equilibrado com a tensão de fixação e o nível de proteção necessário;
→ Corrente de pico: Esta é a corrente máxima que o dispositivo pode suportar. Pode ser expresso como uma corrente para um determinado tempo.
→ Energia máxima de pulso: Esta é a energia máxima de um pulso, expressa em Joules, que o dispositivo pode dissipar. A classificação de energia para o Varistor é frequentemente definida usando transientes padronizados. O transiente é expresso no formato "x/y", onde "x" é o tempo para o aumento do transiente e "y" é o tempo para atingir seu valor de meio-pico. Os formatos típicos são 8/20 e 10/1000.
→ Tempo de resposta: Este é o tempo para o varistor iniciar a condução após a aplicação do pulso. Em muitos casos, isso não é um problema. Os valores típicos são abaixo de 100nS.
→ Capacitância: O Varistor de ZnO tem uma capacitância relativamente alta em todo o dispositivo. Embora para aplicações de baixa frequência isso possa não ser um problema, pode apresentar problemas quando usado com linhas transportando dados, por exemplo. Portanto, é necessário verificar o valor da capacitância do dispositivo para qualquer circuito onde isso possa ser um questão. Varistores de óxido metálico típicos podem ter níveis de capacitância entre 100 e 1000 pF, embora versões de baixa capacitância estejam disponíveis.
→ Corrente de espera: A corrente de espera é o nível de corrente que é consumido pelo Varistor quando está operando abaixo da tensão de fixação. Normalmente, essa corrente será especificada em uma determinada tensão de operação no dispositivo.
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FONTES e CRÉDITOS:
Gráficos, desenhos e imagens: Leonardo Ritter
Fontes: Instituto Newton C. Braga; canal ElectroLab; Mundo da Elétrica; Livro "Conhecendo Fontes Chaveadas - dos Antigos aos Modernos Aparelhos".
Última atualização: 22 de Janeiro de 2023.