배리스터 튜토리얼

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배리스터 튜토리얼

배리스터는 전기 및 전자 회로를 보호하는 데 사용되는 수동형 2단자 고체 반도체 장치입니다.

과전류 보호 기능을 제공하는 퓨즈나 회로 차단기와 달리 배리스터는 제너 다이오드와 유사한 방식으로 전압 클램핑을 통해 과전압 보호 기능을 제공합니다.

"배리스터"라는 단어는 개발 초기에 작동 모드를 설명하는 데 사용된 VARI 가능 저항기라는 단어 의 조합입니다. 배리스터는 전위차계나 가변 저항처럼 수동으로 변경할 수 없기 때문에 약간 오해의 소지가 있습니다. .

배리스터

 

그러나 저항값을 최소값과 최대값 사이에서 수동으로 변경할 수 있는 가변 저항기와 달리 배리스터는 전압 변화에 따라 저항값을 자동으로 변경하므로 전압 의존형 비선형 저항기, 줄여서 VDR이 됩니다.

요즘 배리스터의 저항체는 반도체 재료로 만들어져 AC 및 DC 전압 응용 분야 모두에 적합한 비옴 대칭 전압 및 전류 특성을 갖춘 일종의 반도체 저항기입니다.

여러 면에서 배리스터는 크기와 디자인이 커패시터와 유사해 종종 하나로 혼동되기도 합니다. 그러나 커패시터는 배리스터와 같은 방식으로 전압 서지를 억제할 수 없습니다. 고전압 서지가 회로에 적용되면 결과는 일반적으로 회로에 치명적이므로 배리스터는 스위칭 스파이크 및 과전압 과도 현상으로부터 민감한 전자 회로를 보호하는 데 중요한 역할을 합니다.

과도 서지는 종종 회로 자체 내에서 생성되거나 외부 소스에서 회로로 전송되므로 AC 또는 DC 전원에서 작동하는지 여부에 관계없이 다양한 전기 회로 및 소스에서 발생합니다. 회로 내의 과도 현상은 전압을 수천 볼트까지 빠르게 증가시킬 수 있으며, 섬세한 전자 회로 및 구성 요소에 나타나는 것을 방지해야 하는 것은 이러한 전압 스파이크입니다.

과도 전압의 가장 일반적인 원인 중 하나는 유도 코일 및 변압기 자화 전류의 스위칭, DC 모터 스위칭 애플리케이션 및 형광등 회로의 스위치 온으로 인한 서지 또는 기타 공급 서지로 인해 발생하는 L(di/dt) 효과입니다.

AC 파형 과도 현상

배리스터는 AC 작동의 경우 상-중성선, 위상 대 상, DC 작동의 경우 양극-음성 중 하나의 주 전원 공급 장치에 걸쳐 회로에 연결되며 해당 애플리케이션에 적합한 전압 정격을 갖습니다. 배리스터는 DC 전압 안정화, 특히 과전압 펄스에 대한 전자 회로 보호에도 사용할 수 있습니다.

정적 저항

 

정상 작동 시 배리스터는 매우 높은 저항을 가지므로 이름의 일부이며 더 낮은 임계 전압이 영향을 받지 않고 통과하도록 허용하여 제너 다이오드와 유사한 방식으로 작동합니다.

그러나 배리스터 양단의 전압(두 극성 중 하나)이 배리스터 정격 값을 초과하면 그림과 같이 전압이 증가함에 따라 유효 저항이 크게 감소합니다.

우리는 옴의 법칙을 통해 고정 저항기의 전류-전압(IV) 특성이 R이 일정하게 유지되면 직선이라는 것을 알고 있습니다. 그러면 전류는 저항기 양단의 전위차에 정비례합니다.

그러나 배리스터의 IV 곡선은 전압의 작은 변화로 인해 전류가 크게 변화하므로 직선이 아닙니다. 표준 배리스터의 일반적인 정규화된 전압 대 전류 특성 곡선은 다음과 같습니다.

특성곡선

 

위에서 볼 수 있듯이 배리스터는 대칭적인 양방향 특성을 가지고 있습니다. 즉, 배리스터는 연속적으로 연결된 두 개의 제너 다이오드와 유사한 방식으로 동작하는 정현파 파형의 양방향(사분면 Ι 및 ΙΙΙ)으로 작동합니다. 전도되지 않을 때 IV 곡선은 배리스터를 통해 흐르는 전류가 단지 몇 마이크로 암페어의 "누설" 전류에서 일정하고 낮게 유지되므로 선형 관계를 보여줍니다. 이는 개방 회로로 작용하는 높은 저항 때문이며 배리스터 양단의 전압(두 극성 중 하나)이 특정 "정격 전압"에 도달할 때까지 일정하게 유지됩니다.

이 정격 또는 클램핑 전압은 지정된 DC 전류 1mA로 측정된 배리스터 전체의 전압입니다. 즉, 터미널 전체에 적용되는 DC 전압 레벨은 구성에 사용되는 재료에 따라 달라지는 배리스터 저항체를 통해 1mA의 전류가 흐르도록 합니다. 이 전압 레벨에서 배리스터는 절연 상태에서 전도 상태로 변경되기 시작합니다.

배리스터 양단의 과도 전압이 정격 값보다 크거나 같으면 장치의 저항이 갑자기 매우 작아져 반도체 재료의 눈사태 효과로 인해 배리스터가 도체로 변합니다. 배리스터를 통해 흐르는 작은 누설 전류는 빠르게 상승하지만 배리스터를 통과하는 전압은 배리스터 전압 바로 위 수준으로 제한됩니다.

즉, 배리스터는 더 많은 전류가 흐르도록 허용하여 과도 전압을 자체 조절하고 가파른 비선형 IV 곡선으로 인해 전압 스파이크를 차단하는 좁은 전압 범위에서 매우 다양한 전류를 전달할 수 있습니다.

배리스터 커패시턴스 값

두 단자 사이에 있는 배리스터의 주 전도 영역은 유전체처럼 동작하므로 클램핑 전압 아래에서는 배리스터가 저항기보다는 커패시터처럼 동작합니다. 모든 반도체 배리스터는 면적에 직접적으로 의존하고 두께에 반비례하여 변화하는 커패시턴스 값을 가지고 있습니다.

DC 회로에 사용될 때 배리스터의 커패시턴스는인가 전압이 클램핑 전압 레벨 이상으로 증가하지 않고 최대 정격 연속 DC 전압 근처에서 갑자기 떨어지면 거의 일정하게 유지됩니다.

그러나 AC 회로에서 이 커패시턴스는 IV 특성의 비전도성 누설 영역에서 장치의 본체 저항에 영향을 미칠 수 있습니다. 배리스터는 일반적으로 과전압으로부터 보호하기 위해 전기 장치와 병렬로 연결되므로 주파수가 증가함에 따라 누설 저항이 급격히 떨어집니다.

이 관계는 주파수와 그에 따른 병렬 저항, AC 리액턴스, XC 에 대해 대략 선형 이며 일반 커패시터의 경우 일반적인 1/(2πfC)를 사용하여 계산할 수 있습니다 . 그런 다음 주파수가 증가함에 따라 누설 전류도 증가합니다.

그러나 실리콘 반도체 기반 배리스터뿐만 아니라 금속 산화물 배리스터도 탄화규소 사촌과 관련된 일부 제한 사항을 극복하기 위해 개발되었습니다.

금속 산화물 배리스터

줄여서 MOV ( 금속 산화물 배리스터 ) 는 저항 재료가 금속 산화물, 주로 세라믹과 같은 재료에 압축된 산화아연(ZnO)인 전압 의존형 저항기입니다. 금속 산화물 배리스터는 세라믹 기본 재료인 약 90%의 산화 아연과 산화 아연 입자 사이의 접합 형성을 위한 기타 충전재로 구성됩니다.

금속 산화물 배리스터는 현재 가장 일반적인 유형의 전압 클램핑 장치이며 광범위한 전압 및 전류에서 사용할 수 있습니다. 구조 내에서 금속 산화물을 사용한다는 것은 MOV가 단기 과도 전압을 흡수하는 데 매우 효과적이며 더 높은 에너지 처리 능력을 갖는다는 것을 의미합니다.

금속산화물 배리스터는 일반 배리스터와 마찬가지로 특정 전압에서 도통을 시작하고, 그 전압이 문턱전압 이하로 떨어지면 도통을 멈춘다. 표준 탄화규소(SiC) 배리스터와 MOV 유형 배리스터의 주요 차이점은 MOV의 산화아연 재료를 통한 누설 전류가 정상 작동 조건에서 매우 작은 전류이고 클램핑 과도 상태에서의 작동 속도가 훨씬 빠르다는 것입니다.

MOV는 일반적으로 방사형 리드와 디스크 세라믹 커패시터와 매우 유사한 단단한 외부 파란색 또는 검정색 에폭시 코팅을 가지며 유사한 방식으로 회로 기판 및 PCB에 물리적으로 장착할 수 있습니다. 일반적인 금속 산화물 배리스터의 구성은 다음과 같습니다.

MOV 건설

특정 애플리케이션에 맞는 올바른 MOV를 선택하려면 소스 임피던스와 과도 현상의 가능한 펄스 전력에 대해 어느 정도 알고 있는 것이 바람직합니다. 들어오는 라인 또는 위상 기반 과도 현상의 경우 일반적으로 전원 공급 장치의 특성을 알 수 없으므로 올바른 MOV를 선택하는 것이 조금 더 어렵습니다. 일반적으로 전원 공급 장치의 과도 현상 및 스파이크로부터 회로를 전기적으로 보호하기 위한 MOV 선택은 교육받은 추측에 불과한 경우가 많습니다.

그러나 금속 산화물 배리스터는 약 10V에서 1,000V 이상의 AC 또는 DC까지 광범위한 배리스터 전압에서 사용할 수 있으므로 공급 전압을 알면 선택하는 데 도움이 될 수 있습니다. 예를 들어 MOV 또는 실리콘 배리스터를 선택할 때 전압의 경우 최대 연속 rms 전압 정격은 예상되는 가장 높은 공급 전압 바로 위에 있어야 합니다. 예를 들어 120V 공급 장치의 경우 130V rms, 230V 공급 장치의 경우 260V rms입니다. 볼트 공급.

배리스터가 받는 최대 서지 전류 값은 과도 펄스 폭과 펄스 반복 횟수에 따라 달라집니다. 일반적으로 길이가 20~50마이크로초(μs)인 과도 펄스의 폭을 가정할 수 있습니다. 피크 펄스 전류 정격이 충분하지 않으면 배리스터가 과열되어 손상될 수 있습니다. 따라서 배리스터가 고장이나 성능 저하 없이 작동하려면 과도 펄스의 흡수된 에너지를 빠르게 소멸시키고 펄스 이전 상태로 안전하게 돌아갈 수 있어야 합니다.

배리스터 애플리케이션

배리스터는 많은 장점을 갖고 있으며 AC 또는 DC 전력선 모두에서 가정용 기기 및 조명에서 산업 장비까지의 주전원 과도 현상을 억제하기 위해 다양한 유형의 애플리케이션에 사용할 수 있습니다. 배리스터는 트랜지스터, MOSFET 및 사이리스터 브리지를 보호하기 위해 전원 공급 장치와 반도체 스위치에 직접 연결할 수 있습니다.

배리스터 애플리케이션

튜토리얼 요약

이 튜토리얼에서 우리는 전압 종속 저항기 (VDR) 의 기본 기능이 유도 스위칭 과도 현상에 의해 생성되는 것과 같은 전압 서지 및 스파이크로부터 전자 장치 및 전기 회로를 보호하는 것임을 확인했습니다.

이러한 배리스터는 민감한 전자 회로에 사용되므로 전압이 갑자기 미리 결정된 값을 초과하는 경우 배리스터는 수백 개의 피크 전류를 견딜 수 있으므로 과도한 전압으로부터 션트하는 회로를 보호하기 위해 효과적으로 단락 회로가 됩니다. 암페어.

배리스터는 비선형, 비저항 전류 전압 특성을 갖는 저항기 유형으로, 과도 전압 및 서지에 대한 보호를 제공하는 안정적이고 경제적인 수단입니다.

이는 더 낮은 전압에서 고저항 차단 장치로 작동하고 더 높은 전압에서 우수한 저저항 전도성 장치로 작동함으로써 이를 달성합니다. 전기 또는 전자 회로를 보호하는 데 있어 배리스터의 효율성은 전압, 전류 및 에너지 소산과 관련하여 배리스터를 올바르게 선택했는지에 따라 달라집니다.

금속 산화물 배리스터(MOV)는 일반적으로 작은 디스크 모양의 금속 아연 산화물 재료로 만들어집니다. 특정 전압 범위에 대해 다양한 값으로 제공됩니다. "배리스터 전압"이라고 불리는 MOV의 정격 전압은 1mA의 전류가 장치를 통과할 때 배리스터에 걸리는 전압입니다. 이 배리스터 전압 레벨은 본질적으로 장치가 작동하기 시작할 때 IV 특성 곡선의 지점입니다. 금속 산화물 배리스터를 직렬로 연결하여 클램핑 전압 정격을 높일 수도 있습니다.

금속 산화물 배리스터는 과도 과전압으로부터 보호하기 위해 많은 AC 전력 전자 회로에서 널리 사용되지만 일부 AC 또는 DC 전압에서 모두 사용할 수 있는 다이오드, 제너 다이오드 및 억제기와 같은 다른 유형의 고체 전압 억제 장치도 있습니다. 배리스터 와 함께 억제 애플리케이션 .