바리스터

Varistor
Siemens & Halske AG가 제조한 금속 산화물 바리스터.
서미스터[1] 기호와 동일한 최신 바리스터 도식 기호

바리스터는 인가된 [2]전압에 따라 변화하는 전기 저항을 가진 전자 구성 요소입니다.VDR(전압 의존형 저항기)라고도 하는 이 저항기는 다이오드와 유사한 비선형 비옴 전류 전압 특성을 가지고 있습니다.그러나 다이오드와는 대조적으로 전류가 흐르는 양방향에서 동일한 특성을 가집니다.전통적으로 바리스터는 역평행 구성의 구리 산화물 또는 게르마늄 산화물 정류기와 같은 두 개의 정류기를 연결하여 구성되었습니다.저전압 상태에서는 배리스터의 전기 저항이 높으며 전압이 상승할수록 감소합니다.현대의 배리스터는 주로 소결 세라믹 금속 산화물 재료에 기초하고 있으며, 이 재료는 현미경으로만 방향성을 나타낸다.이 유형은 일반적으로 금속 산화물 바리스터(MOV)로 알려져 있습니다.

배리스터는 최적의 작동 조건을 제공하거나 과도한 과도 전압으로부터 보호하기 위해 회로에서 제어 또는 보정 소자로 사용됩니다.보호 장치로 사용할 경우 트리거될 때 과도한 전압으로 인해 생성된 전류를 민감한 구성 요소에서 분리합니다.

바리스터라는 이름은 다양한 저항의 합성어입니다.이 용어는 비옴 가변 저항에만 사용됩니다.전위차계 및 레오스타트와 같은 가변 저항기는 오믹 특성을 가집니다.

역사

구리 위에 있는 산화물 층에 기초한 새로운 유형의 정류기 형태의 바리스터의 개발은 [3]1927년 L.O. 그론달과 P.H. 가이거에 의해 시작되었다.

구리 산화물 배리스터는 인가 [4]전압의 극성 및 크기에 따라 다양한 저항을 보였습니다.그것은 작은 구리 원반으로 만들어졌고, 그 중 한 면은 아산화구리 층을 형성했다.이 배열은 반도체 산화물에서 구리 쪽으로 흐르는 전류에는 낮은 저항을 제공하지만 반대 방향 전류에는 높은 저항을 제공합니다. 전압이 인가되면 순간 저항이 지속적으로 변하기 때문입니다.

1930년대에, 최대 치수가 1인치 미만이고 유용한 수명인 것처럼 보이는 작은 다중 바리스터 어셈블리는 전화 전송을 위한 반송파 전류 시스템에서 [4]부피가 큰 전자관 회로를 변조기 및 복조기로 대체하는데 적용되었습니다.

전화 공장의 다른 배리스터에는 전압 스파이크와 노이즈로부터 회로를 보호하는 것뿐만 아니라 회로 전환 시 사용자의 귀를 펑하는 소음으로부터 보호하기 위한 수신기(이어피스) 소자의 클릭 억제도 포함되었습니다.이 배리스터는 1952년 6월(아래)의 Western Electric Type 3B 배리스터 사진에서 보듯이 짝수 수의 정류기 디스크를 스택에 적층하고 단자단과 중앙을 반평행 구성으로 연결하여 구축되었습니다.

  • Western Electric 3B varistor made in 1952 for use as click suppressor in telephone sets

    전화기의 클릭 억제기로 사용하기 위해 1952년에 제조된 웨스턴 일렉트릭 3B 바리스터

  • Circuit of the traditional construction of varistors used as click suppressors in telephony[5]

    텔레포니에서 클릭[5] 억제기로 사용되는 배리스터의 전통적인 구성 회로

  • Traditional varistor schematic symbol,[6] used today for the diac. It expresses the diode-like behavior in both directions of current flow.

    전통적인 배리스터 도식 [6]기호로 오늘날 diac에 사용됩니다.이는 전류 흐름의 양방향에서 다이오드와 같은 동작을 나타냅니다.

  • Western Electric Type 44A varistor for click suppression, mounted on a U1 telephone receiver element manufactured in 1958.

    1958년에 제조된 U1 전화 수신기 요소에 장착된 클릭 억제용 Western Electric Type 44A 바리스터.

1949년의 Western Electric 타입 500 전화기는 짧은 중앙 사무실 루프에서 비교적 높은 수준의 루프 전류를 차단하여 송수신 신호 레벨을 자동으로 조정하는 배리스터를 사용한 동적 루프 등화 회로를 도입했습니다.긴 루프에서 배리스터는 비교적 높은 저항을 유지하며 신호를 [7]크게 변경하지 않았습니다.

또 다른 종류의 바리스터는 1930년대 초에 R. O. 그리데일에 의해 탄화 규소로 만들어졌다.그것은 [8]번개로부터 전화선을 보호하는 데 사용되었다.

1970년대 초 일본 연구진은 세라믹 소결 공정에서 산화아연(ZnO)의 반도체 전자 특성을 새로운 바리스터 유형으로 유용하게 인정했으며, 세라믹 소결 공정에서는 제너 다이오드 [9][10]한 쌍과 유사한 전압 전류 함수를 보였다.이러한 유형의 장치는 서지 및 기타 파괴적인 전기적 장애로부터 회로를 보호하는 데 선호되는 방법이 되었고, 일반적으로 금속 산화물 바리스터(MOV)로 알려지게 되었습니다.이 재료의 대부분에서 ZnO 입자의 방향의 무작위성은 전류 흐름의 양방향에 동일한 전압-전류 특성을 제공했다.

금속산화물 바리스터의 조성, 특성 및 작동

산화아연(ZnO) 및 탄화규소(SiC) 디바이스의 배리스터 전류 대 전압

가장 일반적인 현대식 배리스터는 금속 산화물 배리스터(MOV)입니다.이 유형은 소량의 비스무트, 코발트, 망간 산화물과 같은 다른 금속 산화물 매트릭스에 장치의 전극을 구성하는 두 개의 금속판 사이에 끼인 산화 아연 입자의 세라믹 질량을 포함합니다.각 입자와 인접 라우터 사이의 경계는 다이오드 접합부를 형성하여 전류가 한 방향으로만 흐를 수 있도록 합니다.랜덤 방향 입자의 축적은 백 투 백 다이오드 쌍의 네트워크와 전기적으로 동등하며, 각 쌍은 다른 많은 [11]쌍과 병렬로 배열됩니다.

전극에 소량의 전압이 인가되면 다이오드 접합부를 통한 역누출로 인해 소량의 전류만 흐릅니다.큰 전압이 인가되면 열전자 방출과 전자 터널링의 조합으로 인해 다이오드 접합부가 고장나 전류가 많이 흐릅니다.이 동작의 결과는 MOV가 저전압에서는 높은 저항을, 고전압에서는 낮은 저항을 갖는 비선형 전류-전압 특성입니다.

전기적 특성

배리스터는 전압이 "클램프 전압"보다 훨씬 낮게 유지되는 정상 작동 중에는 션트 모드 장치로 비전도성을 유지하므로 일반적으로 라인 전압 서지를 억제하는 데 사용됩니다.배리스터는 두 가지 이유 중 하나로 고장날 수 있습니다.

중대한 장애는 관련된 에너지가 바리스터가 처리할 수 있는 것보다 훨씬 큰 규모의 이벤트로부터 발생하는 매우 큰 서지를 성공적으로 제한하지 못함으로써 발생합니다.타격으로 인해 발생하는 후속 전류는 바리스터를 녹이거나 연소시키거나 증발시킬 수 있습니다.이러한 열적 폭주는 개별 입자 경계 접합부의 적합성 결여로 인해 과도 펄스(일반적으로 줄 단위로 측정됨)의 에너지가 너무 높을 때(즉, 제조사의 "절대 최대 정격"을 크게 초과함) 열적 응력 하에서 지배 전류 경로가 고장나기 때문입니다.치명적인 장애가 발생할 확률은 정격치를 높이거나 특별히 선택된 MOV를 [12]병렬로 사용함으로써 줄일 수 있습니다.

서지가 많아짐에 따라 열화가 누적됩니다.과거의 이유로, 많은 MOV가 잘못 지정되어 있기 때문에, 빈번한 증발이 용량을 [13]저하시킬 수 있습니다.이 상태에서는 바리스터는 눈에 띄게 파손되지 않고 외관상 기능하고 있는 것처럼 보이지만([14]치명적인 장애는 발생하지 않습니다) 더 이상 보호 기능을 제공하지 않습니다.결국 에너지 방출이 산화물을 통과하는 전도성 채널을 생성함에 따라 단락 회로 상태로 진행됩니다.

바리스터의 기대수명에 영향을 미치는 주요 파라미터는 에너지(줄) 정격입니다.에너지 정격을 높이면 수용 가능한 (정의된 최대 크기) 과도 펄스의 수와 더 작은 펄스의 클램핑으로 인한 누적 에너지 합계가 기하급수적으로 증가합니다.이러한 펄스가 발생하면 각 이벤트 중에 제공되는 "클램프 전압"이 감소하며, 일반적으로 "클램프 전압"이 10% 변화하면 바리스터는 기능적으로 저하된 것으로 간주됩니다.제조사의 수명-기대 차트는 부품의 수명 전체에 걸쳐 방산된 총 에너지를 기반으로 고장을 예측하기 위해 전류, 심각도 및 과도현상을 관련짓습니다.

가전제품, 특히 서지프로텍터에서는 MOV 바리스터의 사이즈는 최종적으로 장애가 발생할 [15]수 있을 정도로 작습니다.송전등의 다른 애플리케이션에서는,[16] 긴 수명을 목표로 설계된 복수의 구성의 VDR 를 사용합니다.

고전압 바리스터

전압 정격

MOV는 손상 없이 허용되는 전압 범위에 따라 지정됩니다.기타 중요한 파라미터로는 줄 단위의 배리스터의 에너지 정격, 동작전압, 응답시간, 최대전류 및 고장(클램프)전압 등이 있습니다.에너지 정격은 보통 8/20 마이크로초 또는 10/1000 마이크로초와 같은 표준화된 과도기를 사용하여 정의됩니다. 여기서 8 마이크로초는 과도기의 전면 시간이고 20 마이크로초는 시간에서 절반까지 값입니다.

캐패시턴스

컨슈머 사이즈(7~20mm 직경) 배리스터의 일반적인 캐패시턴스는 100~2,500pF입니다.휴대 전화와 같은 마이크로 전자 보호를 위해 용량이 작은 저용량 배리스터를 최대 1pF까지 사용할 수 있습니다.그러나 이러한 저용량 배리스터는 단순히 PCB 마운트 크기 때문에 큰 서지 전류를 견딜 수 없습니다.

응답시간

MOV 응답 시간이 표준화되지 않았습니다.1나노초 미만의 MOV 응답 클레임은 재료의 고유 응답 시간에 기초하지만 구성 요소 리드의 인덕턴스 및 장착 [17]방법 등의 다른 요인에 의해 느려집니다.또한 이 응답 시간은 8µ의 상승 시간을 갖는 과도기에 비해 중요하지 않은 것으로 인정되므로 디바이스가 천천히 켜질 수 있는 충분한 시간이 확보됩니다.1ns 미만의 매우 빠른 상승 시간 과도 상태에 있는 경우 MOV의 응답 시간은 40~60ns [18]범위입니다.

적용들

통신회선을 보호하기 위해 3밀리 카본 블록(IEEE C62.32), 초저용량 바리스터 및 애벌란치 다이오드 등의 과도억제장치가 사용됩니다.무선통신장치 등의 고주파에는 가스방전관(GDT)을 이용할 [citation needed]수 있다.일반적인 서지 프로텍터 전원 스트립은 MOV를 사용하여 구축됩니다.저비용 버전에서는 핫(활선, 활성)에서 중성 도체까지 하나의 바리스터만 사용할 수 있습니다.보다 나은 프로텍터에는 적어도 3개의 바리스터가 포함되어 있으며, 3개의 [citation needed]도체 쌍 각각에 걸쳐 하나씩 있습니다.미국에서는 전원 스트립 프로텍터가 [19][20]Underwriters Laboraties(UL) 1449 제3판 승인을 받아야 합니다.이를 통해 중대한 MOV 장애가 화재 위험을 발생시키지 않도록 해야 합니다.

서지 프로텍터 회로가 있는 플러그 어셈블리

위험 요소

MOV는 낙뢰 등에 의해 발생하는 매우 짧은 시간(약 8~20마이크로초) 동안 상당한 전력을 전도하도록 설계되어 있지만, 일반적으로 지속적인 에너지를 전도할 능력이 없습니다.통상의 유틸리티 전압 상태에서는, 이것은 문제가 되지 않습니다.그러나 유틸리티 전력 그리드의 특정 유형의 결함으로 인해 과전압 상태가 지속될 수 있습니다.예를 들어 고전압 시스템의 중성 도체 손실 또는 단락 라인이 있습니다.MOV에 지속적인 과전압을 가하면 높은 산산이 발생하여 MOV 디바이스에 화재가 발생할 수 있습니다.National Fire Protection Association(NFPA; 전미방화협회)은 서지 서프레서의 MOV 장치에 의해 발생한 많은 재해 화재 사례를 문서화하고 이 [21]문제에 대한 공지를 발행했습니다.

130볼트, 150J MOV의 치명적인 고장을 일으킨 것으로 보아 열과 연기의 증거를 나타내는 낙뢰의 결과로 보입니다.동일한 이벤트 중에 배리스터 바로 앞에 있는 3A 고속 블로 퓨즈가 끊어졌습니다.

직렬로 연결된 서멀 퓨즈는 치명적인 MOV 장애의 해결책 중 하나입니다.내부 열 보호 기능이 있는 배리스터도 사용할 수 있습니다.

과전압 조건 하에서 MOV를 내장한 과도전압 서지 억제기(TVSS)의 동작에 관해 주의해야 할 몇 가지 문제가 있습니다.전도 전류의 수준에 따라 방산 열은 고장을 일으키기에 부족할 수 있지만 MOV 장치를 저하시키고 수명을 단축할 수 있습니다.MOV에 의해 과도한 전류가 흐르면 치명적인 장애가 발생하여 부하가 연결된 상태로 유지되지만 서지 보호 기능이 없습니다.사용자는 서지 서프레서가 고장났을 때 아무런 지시도 받지 못할 수 있습니다.과전압 및 라인 임피던스의 적절한 조건 하에서 MOV를 [22]화염에 휩싸이게 할 수 있으며, 이는 많은[23] 화재의 근본 원인이자 1986년 UL1449와 1998년 및 2009년 후속 개정으로 이어지는 NFPA 우려의 주요 원인이다.올바르게 설계된 TVSS 디바이스는 치명적인 장애로 인해 서멀 퓨즈 등의 개방이 발생하여 MOV 디바이스만 절단되지 않도록 해야 합니다.

제한 사항

Transient Voltage Surge Suppressor(TVSS; 과도전압서지억제기) 내부의 MOV는 전기기기를 완전히 보호하지 않습니다.특히, 보호 장치뿐만 아니라 기기에 손상을 초래할 수 있는 지속적인 과전압으로부터 보호 기능을 제공하지 않습니다.기타 지속적이고 유해한 과전압은 더 낮을 수 있으므로 MOV 디바이스는 이를 무시합니다.

배리스터는 돌입 전류 서지(기기 시동 중), 과전류(단락 회로에 의해 발생) 또는 전압 처짐(브라운아웃)으로부터 장비를 보호하지 않으며 이러한 이벤트를 감지하거나 영향을 미치지 않습니다.이러한 다른 전력 장애에 대한 전자 기기의 민감성은 시스템 설계의 다른 측면에 의해 정의됩니다.이러한 측면은 기기 자체의 내부 또는 UPS, 전압 조절기 또는 내장 과전압 보호 기능이 있는 서지 프로텍터(일반적으로 전압 감지 회로와 릴레이로 구성됨)와 같은 외부 수단으로 정의됩니다.전압이 위험 임계값에 도달했을 때 AC 입력의 연결을 해제합니다).

다른 과도 억제기와의 비교

전압 스파이크를 억제하는 또 다른 방법은 과도전압억제다이오드(TVS)입니다.다이오드는 MOV만큼 큰 서지를 수행할 수 있는 용량이 없지만 작은 서지에 의해 저하되지 않고 낮은 "클램프 전압"으로 구현할 수 있습니다.MOV는 서지에[24] 대한 반복적인 노출에 의해 저하되며 일반적으로 누출이 MOV를 저하시키지 않도록 높은 "클램프 전압"을 가집니다. 두 유형 모두 광범위한 전압에서 사용할 수 있습니다.MOV는 더 적은 [25]비용으로 더 높은 관련 에너지를 전도할 수 있기 때문에 더 높은 전압에 더 적합한 경향이 있습니다.

또 다른 유형의 과도억제기는 가스관억제기이다.이는 공기 또는 불활성 가스 혼합물과 Ni-63과 같은 소량의 방사성 물질을 사용하여 보다 일관된 파괴 전압을 제공하고 응답 시간을 단축할 수 있는 스파크 갭의 일종이다.안타깝게도 이러한 장치는 배리스터보다 고장 전압이 높고 응답 시간이 더 길 수 있습니다.단, 대폭 높은 고장 전류를 처리할 수 있으며 대폭 저하되지 않고 복수의 고전압 히트(예를 들어 번개로부터의 히트)를 견딜 수 있습니다.

다층 바리스터

MLV(Multi-Layer Varistor) 디바이스는 0~120V DC에서 동작하는 민감한 기기의 저전력부터 중전력 과도현상까지의 전자회로에 정전방전을 보호합니다.피크 전류 정격은 약 20~500암페어, 피크 에너지 정격은 0.05~[citation needed]2.5줄입니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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외부 링크

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