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  • Leonardo Ritter; Drano Rauteon

Cap. 1.4. Os componentes: Varistor

Atualizado: 23 de jan.

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:

Aplicação do varistor

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:

Átomo de Zinco e de Oxigênio

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:

Curva característica do varistor

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 interno do componente

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:

Varistor

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.

Gostou do artigo? Sentiu falta de alguma coisa? Mande um e-mail para hardwarecentrallr@gmail.com.


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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.

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