Varistor – Biến trở
Varistor là từ ghép của “variable resistor” (điện trở biến đổi). Đây là một thiết bị bán dẫn trạng thái rắn, không tuyến tính, có hai đầu và thuộc loại linh kiện thụ động.
Varistor, hay còn gọi là Điện Trở Phụ Thuộc Điện Áp (Voltage Dependent Resistor – VDR), là một loại điện trở mà giá trị điện trở thay đổi theo điện áp đặt vào nó. Varistor được sử dụng để bảo vệ mạch khỏi các đột biến điện áp cao.
Khi điện áp thấp, varistor có điện trở cao, nghĩa là nó gần như không ảnh hưởng đến mạch. Khi xảy ra một xung điện áp cao, điện trở của varistor giảm mạnh, cho phép nó hấp thụ năng lượng dư thừa và bảo vệ các linh kiện trong mạch. Điều này khiến varistor trở thành một thành phần thiết yếu trong các thiết bị chống xung điện, giúp bảo vệ thiết bị điện tử khỏi các đợt tăng điện áp gây ra bởi sét đánh, mất điện, hoặc các nhiễu loạn điện khác
Varistor – Điện Trở Phụ Thuộc Điện Áp
Varistor cung cấp bảo vệ quá áp cho các mạch điện và điện tử, trái ngược với cầu dao hoặc cầu chì, những thiết bị cung cấp bảo vệ mạch khỏi quá dòng. Varistor bảo vệ mạch bằng phương pháp kẹp điện áp (voltage clamping), tương tự như trong Diode Zener.
Mặc dù tên gọi “varistor” xuất phát từ cụm từ “variable resistor” (điện trở biến đổi), nhưng điện trở của varistor không thể thay đổi thủ công, không giống như chiết áp (potentiometer) hoặc biến trở (rheostat), nơi mà điện trở có thể được điều chỉnh thủ công giữa giá trị tối đa và tối thiểu.
Điện trở của một varistor thay đổi theo điện áp được đặt vào nó. Sự thay đổi điện áp qua varistor sẽ dẫn đến sự thay đổi điện trở của nó, khiến nó trở thành một thiết bị phụ thuộc vào điện áp. Do đó, varistor còn được gọi là Điện Trở Phụ Thuộc Điện Áp (Voltage Dependent Resistor – VDR).
Hai ký hiệu tiêu chuẩn của varistor được minh họa dưới đây.
Varistor thường được chế tạo từ các vật liệu bán dẫn. Các đặc tính điện áp và dòng điện của varistor có tính phi tuyến. Ngoài ra, các đặc tính này phù hợp với cả nguồn DC và AC.
Về mặt hình dáng, varistor trông rất giống tụ điện. Vì sự tương đồng này, varistor thường bị nhầm lẫn với tụ điện. Tuy nhiên, về ứng dụng, tụ điện không thể bảo vệ khỏi các đợt tăng điện áp mà varistor có thể xử lý.
Hậu quả của một đợt tăng điện áp đột ngột đối với bất kỳ mạch điện nào có thể rất nghiêm trọng. Do đó, việc sử dụng varistor để bảo vệ các mạch điện hoặc điện tử tinh vi và nhạy cảm khỏi các đợt tăng điện áp cao và xung chuyển mạch là rất quan trọng.
Điện Trở của Varistor
Mặc dù mục đích của varistor là cung cấp điện trở, nhưng cách hoạt động của nó khác với chiết áp (potentiometer) hoặc biến trở (rheostat).
Điện trở của varistor rất cao trong điều kiện hoạt động bình thường. Chức năng của varistor tương tự như diode Zener, cho phép điện áp thấp hơn ngưỡng đi qua mà không bị ảnh hưởng. Sự Thay Đổi Chức Năng của Varistor ở Điện Áp Cao Khi điện áp đặt vào varistor vượt quá giá trị định mức của nó, điện trở hiệu dụng của varistor giảm mạnh và tiếp tục giảm khi điện áp tăng.
Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa điện trở tĩnh của varistor với điện áp đặt vào được minh họa dưới đây.
Đặc Tính V-I Theo định luật Ohm, đường cong đặc tính dòng điện-điện áp (V-I) của một điện trở là một đường thẳng, giả sử giá trị của điện trở được giữ không đổi. Trong trường hợp này, dòng điện chạy qua điện trở tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào hai đầu của nó.
Tuy nhiên, trong trường hợp của varistor, đường cong đặc tính V-I không phải là đường thẳng. Điều này là do hành vi điện trở bất thường của varistor. Với varistor, một thay đổi nhỏ về điện áp đặt vào sẽ gây ra một thay đổi đủ lớn trong dòng điện chạy qua nó.
Biểu đồ đường cong đặc tính dòng điện-điện áp (V-I) của một varistor được minh họa dưới đây.
Từ đường cong đặc tính dòng điện-điện áp (V-I) của varistor, có thể thấy rõ rằng varistor có đặc tính đối xứng hai chiều. Điều này có nghĩa là varistor có thể hoạt động trong cả hai chiều hoặc cực tính của sóng hình sin. Chức năng này tương tự như của các diode Zener được kết nối ngược chiều nhau.
Đặc tính V-I của Varistor
Đường cong đặc tính V-I của varistor cho thấy mối quan hệ tuyến tính giữa dòng điện và điện áp khi varistor không dẫn điện. Điều này là do dòng điện chạy qua varistor vẫn không đổi và giá trị rất thấp. Đây là dòng rò trong varistor và giá trị của dòng điện này ở mức rất nhỏ, thường chỉ vài milli ampe. Nguyên nhân là do điện trở cao của varistor. Dòng điện nhỏ này sẽ duy trì không đổi cho đến khi điện áp đặt vào varistor đạt đến điện áp định mức của nó.
Điện Áp Định Mức (Rated Voltage) hoặc Điện Áp Kẹp (Clamping Voltage)
Điện áp định mức của varistor là điện áp đo được trên nó khi có dòng điện DC 1 mA chạy qua. Điều này có nghĩa là điện áp DC đặt vào các đầu cực của varistor cho phép dòng điện 1 milli ampe chảy qua nó.
Hoạt Động của Varistor tại Điện Áp Định Mức
Trước khi đạt điện áp định mức: Varistor hoạt động như một chất cách điện (insulator). Khi điện áp đặt vào đạt điện áp định mức: Hành vi của varistor thay đổi từ trạng thái cách điện sang trạng thái dẫn điện (conductor).
Hiện Tượng Avalanche Breakdown
Khi điện áp thoáng qua (transient voltage) đặt vào varistor lớn hơn hoặc bằng điện áp định mức của nó, điện trở của varistor trở nên rất nhỏ. Điều này xảy ra do một hiện tượng gọi là Avalanche Breakdown trong các vật liệu bán dẫn. Avalanche Breakdown là một dạng khuếch đại dòng điện, cho phép dòng điện lớn chạy qua vật liệu trước đó hoạt động như chất cách điện. Do đó, dòng điện nhỏ (dòng rò) chảy qua varistor sẽ tăng nhanh chóng
Mặc dù dòng điện chạy qua varistor tăng lên, nhưng điện áp trên nó vẫn bị giới hạn ở một giá trị gần bằng điện áp định mức của varistor. Điều này có nghĩa là varistor hoạt động như một bộ tự điều chỉnh đối với các xung điện áp thoáng qua bằng cách cho phép dòng điện lớn hơn chạy qua varistor.
Do đó, sau khi vượt qua điện áp định mức, đường cong dòng điện-điện áp của varistor trở thành một đường phi tuyến dốc. Nhờ đặc điểm này, varistor có thể xử lý các dòng điện thay đổi lớn trong một dải điện áp rất hẹp bằng cách cắt bỏ bất kỳ xung điện áp nào.
Điện Dung trong Varistor
Khi điện áp đặt trên varistor nhỏ hơn điện áp định mức hoặc điện áp kẹp, varistor hoạt động như một tụ điện thay vì một điện trở.
Điều này là do khu vực dẫn chính của varistor hoạt động như một chất điện môi giữa hai cực của varistor. Hai cực và chất điện môi này tạo thành một tụ điện. Điều này đúng cho đến khi điện áp đạt đến điện áp kẹp. Mọi varistor được làm từ vật liệu bán dẫn đều có giá trị điện dung.
Giá trị này phụ thuộc vào diện tích của varistor và tỷ lệ nghịch với độ dày của nó. Hành Vi của Điện Dung Varistor trong Mạch DC và AC Trong mạch DC:
Điện dung của varistor tồn tại khi điện áp đặt vào nhỏ hơn điện áp định mức của varistor. Điện dung giảm đột ngột khi điện áp đặt gần bằng điện áp định mức. Trong mạch AC:
Tần số đóng vai trò quan trọng. Khi varistor hoạt động trong vùng rò rỉ không dẫn điện, điện dung của varistor sẽ ảnh hưởng đến điện trở thân của nó. Điện trở rò rỉ của varistor giảm khi tần số tăng. Mối quan hệ giữa tần số và điện trở song song (parallel resistance) xấp xỉ tuyến tính. Tính Toán Reactance (XC) của Varistor
XC = 1 / (2 ×π × f×C) = 1/(2 πfC)
Ở đây C là điện dung và f là tần số. Do đó, khi tần số tăng, dòng điện rò rỉ cũng tăng
Varistor Oxit Kim Loại (MOV)
Để khắc phục các hạn chế của các loại varistor dựa trên vật liệu bán dẫn như varistor Silicon carbide, Varistor Oxit Kim Loại (Metal Oxide Varistor – MOV) đã được phát triển. MOV là một loại điện trở phụ thuộc điện áp. Đây cũng là một thiết bị phi tuyến và cung cấp khả năng bảo vệ rất tốt trước các xung điện áp thoáng qua.
Cấu tạo của MOV Vật liệu điện trở trong varistor oxit kim loại chủ yếu gồm các hạt kẽm oxit (Zinc Oxide) được ép thành khối gốm. Hỗn hợp này bao gồm 90% hạt kẽm oxit và 10% còn lại là các oxit kim loại khác như cobalt, bismuth và mangan. Hỗn hợp này được kẹp giữa hai điện cực (tấm kim loại).
Vật liệu kết dính hoạt động như một chất gắn kết các hạt kẽm oxit lại với nhau để giữ thành phần cố định giữa hai tấm kim loại. Dây dẫn kết nối của varistor oxit kim loại là dây dẫn hướng tâm (radial leads).
Varistor Oxit Kim Loại (MOV): Bảo vệ quá áp và các đặc điểm Varistor oxit kim loại (MOV) là một trong những linh kiện phổ biến nhất được sử dụng như thiết bị kẹp điện áp để bảo vệ các thiết bị, từ nhỏ đến lớn, khỏi các xung điện áp thoáng qua. Nhờ vào oxit kim loại được sử dụng trong cấu tạo, khả năng hấp thụ xung điện áp ngắn và xử lý năng lượng của MOV là cực kỳ cao.
Hoạt Động của MOV MOV và varistor silicon carbide hoạt động rất giống nhau:
MOV bắt đầu dẫn dòng điện khi đạt đến điện áp định mức. Nếu điện áp đặt vào thấp hơn giá trị ngưỡng, MOV sẽ ngừng dẫn điện. Sự khác biệt chính giữa MOV và varistor silicon carbide:
Dòng rò: Ở điều kiện hoạt động bình thường, dòng rò của MOV rất nhỏ. Giải Thích Dòng Rò Nhỏ trong MOV Trong MOV, hai hạt kẽm oxit lân cận tạo thành một mối nối diode ở biên giới của chúng. MOV có thể được xem như một tập hợp lớn các diode được kết nối song song. Khi một điện áp nhỏ được đặt giữa các điện cực, dòng rò ngược qua mối nối diode rất nhỏ. Khi điện áp đặt tăng và đạt đến điện áp kẹp, mối nối diode bị phá vỡ bởi hiện tượng avalanche breakdown và hiện tượng chui hầm electron (electron tunneling), cho phép một dòng điện lớn chạy qua. MOV có đặc tính dòng điện-điện áp phi tuyến cao, giúp bảo vệ hiệu quả trước các xung điện áp lớn.
Xử Lý Xung Điện Áp Cực Đại Khả năng chịu dòng điện xung cực đại của MOV phụ thuộc vào: Độ rộng của xung thoáng qua (thường từ 20 µs đến 50 µs). Số lần lặp lại của xung. Nếu dòng xung cực đại không đủ, có thể gây quá nhiệt, làm hư hỏng mạch. Để tránh quá nhiệt, cần nhanh chóng tiêu tán năng lượng hấp thụ từ xung thoáng qua.
Bảo Vệ Chống Xung Điện Áp Cao
Xung điện áp thoáng qua có thể phát sinh từ nhiều nguồn, bất kể nguồn cấp là AC hay DC. Các xung này có thể được tạo ra trong mạch hoặc truyền từ các nguồn bên ngoài. Nguồn gốc của các xung thoáng qua: Hiệu ứng điện áp trong mạch cảm ứng, do chuyển mạch cuộn cảm hoặc dòng từ hóa trong máy biến áp. Xung điện áp từ nguồn cấp điện. Chuyển mạch động cơ DC. Kết Nối MOV Trong Mạch Nguồn AC:
MOV được kết nối giữa pha và trung tính hoặc giữa các pha để tránh xung điện áp. Nguồn DC:
MOV được kết nối giữa cực dương và cực âm. Trong mạch điện tử DC, MOV có thể được sử dụng để ổn định điện áp và bảo vệ khỏi các xung quá áp.
Thông Số Kỹ Thuật của Varistor
Điện áp làm việc tối đa (Maximum Working Voltage):
Điện áp DC đỉnh trạng thái ổn định hoặc điện áp hiệu dụng sin có thể được áp dụng liên tục ở nhiệt độ quy định. Điện áp varistor (Varistor Voltage):
Điện áp giữa các cực của varistor khi áp dụng dòng đo DC được chỉ định. Điện áp kẹp (Clamping Voltage):
Điện áp giữa các cực của varistor khi áp dụng dòng xung thoáng qua để đạt được điện áp đỉnh. Dòng điện xung (Surge Current):
Dòng điện lớn nhất chạy qua varistor.
Năng lượng tối đa (Maximum Energy):
Năng lượng tối đa được tiêu tán khi một xung thoáng qua được áp dụng. Sự thay đổi điện áp (Surge Shift):
Sự thay đổi điện áp sau khi áp dụng dòng điện xung thoáng qua. Điện dung (Capacitance):
Được đo khi điện áp nhỏ hơn điện áp varistor. Dòng rò (Leakage Current):
Dòng điện chạy qua varistor khi nó ở trạng thái không dẫn điện. Thời gian phản hồi (Response Time):
Thời gian giữa khi áp dụng điện áp định mức và chuyển trạng thái từ không dẫn điện sang dẫn điện.
Ứng Dụng của Varistor
Varistor được sử dụng trong hầu hết các mạch điện nặng đến các thiết kế điện tử nhỏ. Chúng cung cấp khả năng bảo vệ chống xung điện áp cao cho cả mạch AC và DC.
Một số ứng dụng: Bảo vệ mạch điện khỏi quá áp. Mạch dưới đây minh họa kết nối của varistor oxit kim loại (MOV) để bảo vệ giữa các đường dây đơn pha.
Mạch sau đây tương tự nhưng nó cũng cung cấp khả năng bảo vệ từ đường dây xuống đất.
Trong mạch điện tử, các thiết bị rất nhạy cảm với sự thay đổi điện áp. Do đó, varistor được sử dụng. Mạch sau đây sẽ trình bày một varistor điển hình bảo vệ một bóng bán dẫn.
Cung cấp khả năng bảo vệ chống sét lan truyền cho động cơ AC hoặc DC.
Hạn Chế của Varistor
Khi varistor được sử dụng trong thiết bị chống xung điện áp thoáng qua (transient voltage surge suppressor), nó có thể không cung cấp bảo vệ nguồn điện đầy đủ cho thiết bị. Điều này xảy ra vì sự hiện diện của varistor trong tình huống này có thể gây ra vấn đề cho cả thiết bị và bản thân linh kiện.
Những Trường Hợp Varistor Không Thể Bảo Vệ Dòng khởi động thiết bị (Current surges during device start-up):
Varistor không thể bảo vệ khỏi dòng điện lớn xảy ra khi thiết bị bắt đầu hoạt động. Dòng từ ngắn mạch (Current from short circuit):
Varistor không được thiết kế để xử lý dòng điện lớn phát sinh do ngắn mạch. Giảm áp hoặc mất áp (Voltage sags or brownouts):
Varistor không thể bảo vệ thiết bị khỏi hiện tượng sụt áp hoặc mất áp tạm thời.
