배리스터

소개

배리스터는 수동 비선형 2 단자 고체 반도체 장치입니다. "배리스터"라는 단어는 가변 저항에서 파생됩니다. 배리스터는 과전류로부터 회로를 보호하는 회로 차단기 또는 퓨즈와 달리 전기 및 전자 회로에 과전압 보호를 제공합니다. 배리스터는 제너 다이오드에서와 유사한 전압 클램핑 방법으로 보호를 제공합니다.

배리스터라는 이름은 가변 저항이라는 용어에서 파생되었지만 최대 값과 최소값 사이에서 저항을 수동으로 변경할 수있는 전위차계 또는 가변 저항기와 달리 배리스터의 저항을 수동으로 변경할 수 없습니다.

배리스터의 저항은 적용되는 전압에 따라 달라집니다. 배리스터 양단의 전압 변화는 저항의 변화를 가져와 전압 의존 장치가됩니다. 따라서 배리스터를 VDR (Voltage Dependent Resistor)이라고도합니다.

배리스터의 두 가지 표준 기호는 다음과 같습니다.

배리스터에 대한 IEEE 표준 기호

배리스터에 대한 IEC 표준 기호

일반적으로 배리스터는 반도체 재료로 만들어집니다. 배리스터의 전압 및 전류 특성은 본질적으로 비선형입니다. 또한 배리스터의 전압 및 전류 특성은 DC 및 AC 공급 장치 모두에 적합합니다.

물리적으로 배리스터는 여러면에서 커패시터처럼 보입니다. 유사성 때문에 배리스터는 종종 커패시터와 혼동됩니다. 그러나 애플리케이션 측면에서 볼 때 커패시터는 배리스터가 할 수있는 전압 서지를 방지 할 수 없습니다. 모든 회로에 대한 우발적 인 고전압 서지의 결과는 치명적일 수 있습니다. 따라서 고전압 서지 및 스위칭 스파이크로부터 섬세하고 민감한 전기 또는 전자 회로를 보호하는 데 배리스터를 사용하는 것은 매우 중요합니다.

 

배리스터의 저항

배리스터의 목적은 저항을 제공하는 것이지만 배리스터의 작동은 전위차계 또는 가변 저항기와 다릅니다. 배리스터의 저항은 정상적인 작동 조건에서 매우 높습니다. 배리스터의 기능은 낮은 임계 값의 전압이 영향을받지 않고 통과 할 수있는 제너 다이오드의 기능과 유사합니다.

배리스터의 기능은 높은 작동 전압에서 변경됩니다. 배리스터에 적용된 전압이 정격 값보다 크면 배리스터의 유효 저항이 급격히 떨어지고 적용된 전압이 증가함에 따라 계속 감소합니다.

적용된 전압에 대한 배리스터의 정적 저항을 나타내는 곡선은 다음과 같습니다.

 

V-I 특성

옴의 법칙에 따르면 저항의 값이 일정하게 유지된다는 가정하에 저항의 전류-전압 특성 곡선은 직선입니다. 이 경우 저항을 통해 흐르는 전류는 저항 끝단에 적용되는 전압에 정비례합니다. 배리스터의 경우 전류-전압 특성 곡선은 직선이 아닙니다. 이는 배리스터의 비정상적인 저항 동작 때문입니다. 배리스터의 경우 적용되는 전압의 작은 변화는 그것을 통해 흐르는 전류에 충분히 큰 변화를 일으킬 것입니다.

배리스터의 전류 전압 특성 곡선은 아래와 같습니다.

위에 표시된 전류-전압 특성 곡선에서 배리스터가 양방향 대칭 특성을 갖는 것이 분명합니다. 이는 배리스터가 사인파의 방향 또는 극성으로 작동하거나 작동 할 수 있음을 의미합니다. 배리스터의이 기능은 연속적으로 연결된 제너 다이오드의 기능과 유사합니다. 배리스터의 전류-전압 특성 곡선은 배리스터가 전도되지 않을 때 전류와 전압 사이의 선형 관계를 보여줍니다. 이는 배리스터를 통해 흐르는 전류가 일정하게 유지되고 값이 매우 낮기 때문입니다. 이것은 배리스터의 누설 전류이며이 전류의 값은 거의 밀리 암페어 정도입니다. 그 이유는 배리스터의 높은 저항 때문입니다.

배리스터의 정격 전압을 클램핑 전압이라고도합니다. 배리스터의 정격 전압은 지정된 DC 전류 1mA로 측정되는 배리스터 양단의 전압입니다. 이것은 1 밀리 암페어의 전류가 흐르도록하는 배리스터의 단자에 적용된 DC 전압으로 설명 할 수 있습니다. 배리스터 본체를 통해 흐르는 전류는 배리스터의 구성에 사용되는 재료에 따라 다릅니다. 이 정격 전압 레벨에서 배리스터의 기능이 변경되기 시작합니다. 정격 전압까지 배리스터는 절연체 역할을합니다. 배리스터의인가 전압이 정격 전압에 도달하면 배리스터의 동작이 절연 상태에서 전도 상태로 바뀝니다.

배리스터에 적용된 과도 전압이 배리스터의 정격 전압보다 크거나 같으면 배리스터의 저항이 매우 작아집니다. 이는 반도체 소재의 Avalanche Breakdown이라는 현상 때문입니다. 눈사태 파괴는 이전에 절연체로 작용했던 재료에 큰 전류를 허용하는 전류 곱셈의 한 형태입니다. 이러한 상황으로 인해 누설 전류 인 배리스터를 통해 흐르는 작은 전류가 빠르게 상승합니다. 배리스터를 통해 흐르는 전류가 상승하더라도 그 양단의 전압은 배리스터의 정격 전압에 가까운 값으로 제한됩니다. 이는 배리스터가 배리스터를 통해 더 많은 전류가 흐르거나 흐르도록 허용함으로써 배리스터 전체에 적용된 과도 전압에 대한 자체 조절기 역할을 함을 의미합니다. 그 후, 배리스터의 정격 전압을 교차 한 후 전류-전압 곡선은 가파른 비선형 곡선이됩니다. 이 기능으로 인해 배리스터는 전압 스파이크를 차단하여 매우 좁은 범위의 전압에서 광범위하게 다양한 전류를 전달할 수 있습니다.

 

배리스터의 커패시턴스

배리스터에인가 된 전압이 정격 또는 클램핑 전압보다 낮 으면 배리스터는 저항이 아닌 커패시터 역할을합니다. 이 결론의 이유는 배리스터의 두 단자 사이의 유전체로서 배리스터의 주요 전도 영역의 동작 때문입니다. 두 단자와 유전체는 커패시터를 형성합니다. 이는 전압이 클램핑 전압에 도달 할 때까지 유효합니다. 반도체 재료로 구성된 모든 배리스터에는 커패시턴스 값이 있습니다. 이 값은 배리스터의 면적에 따라 다르며 두께에 반비례합니다.

배리스터의 커패시터 동작은 DC 및 AC 회로에서 다릅니다. DC 회로에서는인가 전압이 배리스터의 정격 전압보다 낮을 때 배리스터의 커패시턴스가 존재하고 정격 전압에 가까운 전압을 가하면 급격히 감소합니다.

AC 회로에 배리스터를 사용하면 주파수가 중요한 역할을합니다. AC 회로에서 배리스터가 비전 도성 누설 영역에서 작동하면 배리스터의 커패시턴스가 신체 저항에 영향을 미칩니다. 배리스터는 일반적으로 과전압으로부터 보호하기 위해 전기 또는 전자 장치에 병렬로 연결됩니다. 이로 인해 배리스터의 누설 저항은 주파수가 증가함에 따라 떨어집니다. 주파수와 결과 병렬 저항 간의 관계는 거의 선형입니다. AC 리액턴스 XC는 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.

X C = 1 / (2 * π * f * C) = 1 / (2 π f C)

여기서 C는 커패시턴스이고 f는 주파수입니다.

따라서 주파수가 증가하면 누설 전류도 증가합니다.

금속 산화물 배리스터 (MOV)

실리콘 카바이드 배리스터와 같은 반도체 기반 배리스터의 한계를 극복하기 위해 금속 산화물 배리스터 (MOV)가 개발되었습니다. 금속 산화물 배리스터는 전압 의존 저항기입니다. 또한 비선형 장치이며 매우 우수한 과도 전압 서지 보호 기능을 제공합니다. 금속 산화물 배리스터의 저항 재료는 주로 세라믹 덩어리로 압축되는 산화 아연 입자로 구성됩니다. 혼합물은 90 %의 산화 아연 입자로 구성되며 나머지 10 %는 코발트, 비스무트 및 망간과 같은 다른 금속 산화물로 만들어집니다. 이 혼합물은 두 전극 (금속판) 사이에 끼어 있습니다. 충전재는 산화 아연 입자에 대한 결합제 역할을하여 구성 요소가 두 금속판 사이에 그대로 유지되도록합니다. 금속 산화물 배리스터의 연결 리드는 방사형 리드입니다.

금속 산화물 배리스터는 과도 전압 서지로부터 작거나 무거운 장치를 보호하기 위해 전압 클램핑 장치로 사용되는 가장 일반적으로 사용되는 구성 요소입니다. 금속 산화물이 구조에 사용되기 때문에 짧은 전압 과도 현상을 흡수하는 능력과 에너지 처리 능력이 매우 높습니다.

금속 산화물 배리스터와 실리콘 카바이드 배리스터의 작동은 매우 유사합니다. 금속 산화물 배리스터는 정격 전압에서 전류를 전도하기 시작하고인가 된 전압이 임계 값 미만이면 전도를 중지합니다.

실리콘 카바이드 배리스터와 금속 산화물 배리스터의 주요 차이점은 누설 전류의 양입니다. MOV의 누설 전류는 정상 작동 조건에서 매우 작습니다.

누설 전류가 적은 이유는 다음과 같이 설명 할 수 있습니다. 금속 산화물 배리스터에서 두 개의 인접한 아연 입자는 경계 사이에 다이오드 접합을 형성합니다. 따라서 금속 산화물 배리스터는 병렬로 연결된 수많은 다이오드의 모음으로 간주 될 수 있습니다. 이 때문에 전극 사이에 아주 작은 전압이 가해지면 다이오드 접합부에 나타나는 역방향 누설 전류가 매우 작습니다. 인가 전압이 증가하여 클램핑 전압에 도달하면 눈사태 파괴 및 전자 터널링으로 인해 다이오드 접합부가 끊어지고이를 통해 큰 전류가 허용됩니다. 금속 산화물 배리스터는 높은 수준의 비선형 전류 전압 특성을 가지고 있습니다.

배리스터가 취할 수있는 최대 서지 전류는 과도 펄스의 폭과 펄스 반복 횟수에 따라 달라집니다. 과도 펄스의 일반적인 폭은 20 마이크로 초 ~ 50 마이크로 초 범위입니다. 정격 피크 펄스 전류가 불충분하면 과열 될 수 있습니다. 따라서 회로의 과열을 방지하려면 과도 펄스에서 흡수 된 에너지를 빠르게 소멸시키는 것이 중요합니다.

 

고전압 서지 보호

공급이 AC이든 DC이든간에 과도 전압 서지는 공급에 관계없이 많은 전기 소스와 회로에서 발생합니다. 이는 과도 현상이 회로에서 생성되거나 외부 소스에서 회로로 전송되기 때문입니다.

회로 내에서 생성되는 과도 전류는 빠르게 증가 할 수 있으며 전압이 수천 볼트 값으로 증가 할 수 있습니다. 이러한 전압 스파이크는 민감한 전기 또는 전자 장치에 심각한 문제를 일으킬 수 있으므로 장치 전체에 나타나지 않도록 해야합니다.

과도 전압의 일반적인 원인은 다음과 같습니다.

1. 유도 회로에서 발생하는 전압 효과 L di / dt. 이 효과는 유도 코일의 스위칭과 변압기의 자화 전류 때문입니다.

2. 전원 공급 장치가 급증합니다.

3. DC 모터 스위칭.

전압 과도 현상을 방지하기 위해 배리스터가 전원 공급 장치에 연결됩니다. 이 연결은 위상과 중성 사이 또는 AC 공급의 경우 위상과 위상 사이에있을 수 있습니다.

DC 전원의 경우 배리스터는 양극과 음극 단자 사이의 전원에 연결됩니다. DC 전자 회로에서 배리스터는 과전압 펄스로부터 보호하기 위해 전압 안정화에 사용할 수 있습니다.

배리스터 사양

다음은 일반적인 배리스터의 사양입니다.

최대 작동 전압 : 지정된 온도에서 지속적으로 적용될 수있는 피크 정상 상태 DC 전압 또는 정현파 rms 전압입니다.

배리스터 전압 : 지정된 DC 측정 전류가 적용된 배리스터 단자 사이의 전압입니다.

클램핑 전압 : 피크 전압을 얻기 위해 지정된 임펄스 전류가 적용된 배리스터의 단자 간 전압입니다.

서지 전류 : 배리스터를 통해 흐르는 최대 전류.

최대 에너지 : 과도 전류가 적용될 때 소멸되는 최대 에너지입니다.

Surge Shift : 서지 전류를 제공 한 후 전압의 변화.

커패시턴스 : 전압이 배리스터 전압보다 낮을 때 측정됩니다.

누설 전류 : 비전도 상태 일 때 배리스터를 통해 흐르는 전류.

응답 시간 : 정격 전압을 적용하고 비전도 상태에서 전도 상태로 전환하는 사이의 시간입니다.

 

배리스터 애플리케이션

배리스터는 소형 전자 설계에 이르기까지 거의 모든 무거운 전기 회로에 사용됩니다. 배리스터는 AC 및 DC 회로 모두에 고전압 서지 보호를 제공합니다.

일부 응용 프로그램은

1. 과전압으로부터 전기 회로를 보호합니다. 다음 회로는 단상 라인 대 라인 보호를 제공하는 금속 산화물 배리스터의 연결을 보여줍니다.

다음 회로는 라인 대 접지 보호 기능을 제공한다는 점을 제외하면 유사합니다.

2. 전자 회로에서 장치는 전압 변화에 매우 민감합니다. 따라서 배리스터가 사용됩니다. 다음 회로는 트랜지스터를 보호하는 일반적인 배리스터를 보여줍니다.

3. AC 또는 DC 모터에 서지 보호를 제공합니다.

 

배리스터 제한

과도 전압 서지 억제기에 배리스터를 사용하면 장치에 전원 보호 기능을 제공하지 않을 수 있습니다. 이 상황에서 배리스터가 있으면 장비와 장치 자체에 문제가 발생하기 때문입니다.

배리스터는 다음에 대한 보호를 제공 할 수 없습니다.

1. 장치 시작 중 전류 서지

2. 단락 전류.

3. 전압 강하 또는 절전.