Diodos Varistores

EL Diodo Varistor
Figura 1.
Los varistores proporcionan una protección fiable y económica contra transitorios de
alto voltaje que pueden ser producidos, por ejemplo, por relámpagos, conmutaciones o
ruido eléctrico en líneas de potencia de CC o CORRIENTE ALTERNA.
Los varistores tienen la ventaja sobre los diodos (supresores de transitorios) que, al
igual que ellos pueden absorber energías transitorias (incluso más altas) pero además
pueden suprimir los transitorios positivos y negativos.
Cuando aparece un transitorio, el varistor cambia su resistencia de un valor alto a otro
valor muy bajo. El transitorio es absorbido por el varistor, protegiendo de esa manera
los componentes sensibles del circuito.
Los varistores se fabrican con un material no homogéneo. (Carburo de silicio)
Características
•
Amplia gama de voltajes - desde 14 V a 550 V (RMS). Esto permite una
selección fácil del componente correcto para una aplicación específica.
•
Alta capacidad de absorción de energía respecto a las dimensiones del
componente.
•
Tiempo de respuesta de menos de 20 ns, absorbiendo el transitorio en el instante
que ocurre.
•
Bajo consumo (en stabd-by) - virtualmente nada.
•
Valores bajos de capacidad, lo que hace al varistor apropiado para la protección
de circuitería en conmutación digital.
•
Alto grado de aislamiento.
Máximo impulso de corriente no repetitiva
El pico máximo de corriente permitido a través del varistor depende de la forma del
impulso, del duty cycle y del número de pulsos.
Con el fin de caracterizar la capacidad del varistor para resistir impulsos de corriente, se
permite generalmente que garantice un ‘máximo impulso de corriente no repetitiva’.
Este viene dado por un impulso caracterizado por la forma del impulso de corriente
desde 8 microsegundos a 20 microsegundos siguiendo la norma “IEC 60-2”, con tal que
la amplitud del voltaje del varistor medido a 1 mA no lo hace cambiar más del
10% como máximo.
Un impulso mayor que el especificado puede ocasionar cortocircuitos o ruptura del
propio componente; se recomienda por lo tanto instalar un fusible en el circuito que
utiliza el varistor, o utilizar una caja protectora.
Si se aplica más de un de impulso o el impulso es de una duración mas larga, habría que
estudiar las curvas que al efecto nos proporcionan los fabricantes, estas curvas
garantizan la máxima variación de voltaje (10%) en el varistor con 1 mA.
Energía máxima
Durante la aplicación de un impulso de corriente, una determinada energía será disipada
por el varistor. La cantidad de la energía de disipación es una función de:
•
La amplitud de la corriente.
•
El voltaje correspondiente al pico de corriente.
•
La duración del impulso.
•
El tiempo de bajada del impulso; la energía que se disipa durante el tiempo entre
100% y 50% del pico de corriente.
•
La no linealidad del varistor.
A fin de calcular la energía disipada durante un impulso, se hace con la referencia
generalmente a una onda normalizada de la corriente. Esta onda esta prescrita por la
norma “IEC 60-2 secciona 6” tiene una forma que aumenta desde cero al valor de pico
en un el tiempo corto, disminuyendo hata cero o de una manera exponencial, o bien
sinusoidal.
Esta curva es definida por el el tiempo principal virtual (t1) y el tiempo virtual al valor
medio (t2) como el mostrado en la Fig.1.
Figura 2.
El cálculo de energía durante la aplicación de tal impulso viene dado por la fórmula:
E = Vpeak x Ipeak x t2 x K
donde:
Ipeak = corriente de pico
Vpeak = voltaje a la corriente de pico
K es un constante que depende de t2, cuando t1 va de 8 a 10 microsegundos;
ver Tabla 1.
t2 (microsegundos)
K
20
1
50
1.2
100
1.3
1000
1.4
Tabla 1.
La energía máxima no representa entonces la calidad del varistor, pero puede ser un
indicio valioso cuando comparamos diversas series de componentes que tienen el
mismo voltaje.
La energía máxima indicada por los fabricantes es válida para un impulso estándar de
duración entre10 y 1000 microsegundos, que dan como máxima variación de voltaje un
10 % para 1 mA.
Cuando se aplican más de un impulso, recurriremos a las tablas que a tal efecto nos
proporcionan los fabricantes.
Características eléctricas
Características típica V/I de un varistor de ZnO
La relación entre la tensión y corriente en un varistor viene dada por:
V = C x Ib
Donde:
•
V es el voltaje
•
C es el voltaje del varistor para una corriente de 1 A.
•
I es la corriente actual que atraviesa el varistor.
•
b es la tangente del ángulo que forma la curva con la horizontal. Este parámetro
depende del material con que está fabricado el varistor; en el caso del ZnO su
valor es ? = 0.035
Ejemplo:
Supongamos una varistor con un valor de C = 230 V. a 1 A. y b = 0.035 (ZnO)
Entonces = C x Ib
Para una I =10-3 A
V = 230 x(10-3 ) 0.035 = 180 V
Y para una I =102 A
V = 230 x(102 ) 0.035 = 270 V
Figura 3.
Limitación de Transitorios de Tensión con Varistores de ZnO
En la Fig.2 el voltaje de alimentación Vi es derivado por la resistencia R (p. ej. la
resistencia de línea) y el varistor (-U) seleccionado para la aplicación.
Figura 4.
VI =VR +VO
VI =R x I + C x Ib
Si la tensión de alimentación varía una cantidad DVI la variación de corriente será de
DI y la tensión de alimentación podrá expresarse como:
(VI + DVI )=R x (I + DI) + C x (I+DI)b
Dado el valor pequeño de b (0.03 a 0.05), es evidente que la modificación de C x Ib será
muy pequeña comparada a la variación de R x I cuando VI aumente a VI + DVI.
Un aumento grande de VI conduce a un aumento grande de VR y un aumento pequeño
de VO
DIODO SCHOTTKY
Figura 5.
El diodo Schottky (también conocido como diodo de barrera schottky o diodo de barrera
superficial) es otro tipo de diodo semiconductor formado por la unión de un metal con
un semiconductor. A esta unión se le conoce como unión metal-semiconductor o unión
M-S. Esta unión tiene una baja caída de tensión directa (de 0.15 a 0.45 V) que el diodo
de unión P-N y puede utilizarse en aplicaciones de radiofrecuencia (RF) y conmutación
de alta velocidad.
El diodo schottky recibe su nombre del físico alemán Walter H. Schottky.
Pero un diodo de unión PN de silicio tiene una tensión directa típica de 0.6-0.75 V,
mientras que la tensión directa de Schottky es de 0.15-0.45 V.
Esta menor necesidad de tensión directa permite que los diodos Schottky puedan
encenderse y apagarse mucho más rápido que el diodo de unión p-n. Además, el diodo
schottky produce menos ruido no deseado que el diodo de unión p-n. Estas dos
características del diodo schottky lo hacen muy útil en los circuitos de potencia de
conmutación de alta velocidad.
La unión en un diodo Schottky está formada por el metal (como el oro, el tungsteno, el
cromo, el platino, el molibdeno o ciertos siliciuros) y un semiconductor de silicio
dopado de tipo N.
Aquí, el ánodo es el lado metálico y el cátodo es el lado semiconductor.
El símbolo del diodo Schottky se basa en el símbolo básico del diodo. El símbolo de
Schottky se diferencia de otros tipos de diodos por la adición de dos patas extras en la
barra del símbolo.
Construcción del Diodo Schottky
A diferencia de un diodo de unión pn convencional, que está formado por una pieza de
material de tipo P y otra de tipo N, los diodos Schottky se construyen con un electrodo
metálico unido a un semiconductor de tipo N. Al estar construidos con un compuesto
metálico en un lado de la unión y silicio dopado en el otro, el diodo Schottky no tiene
capa de agotamiento y se clasifica como dispositivo unipolar, a diferencia de los típicos
diodos de unión pn, que son dispositivos bipolares.
El metal de contacto más común utilizado para la construcción de diodos Schottky es el
«siliciuro», que es un compuesto de silicio y metal altamente conductor. Este contacto
silicida de metal-silicio tiene un valor de resistencia óhmica razonablemente bajo, lo
que permite que fluya más corriente y produce una menor caída de tensión directa de
alrededor de Vƒ<0.4V cuando se conduce. Diferentes compuestos metálicos producirán
diferentes caídas de tensión directa, normalmente entre 0.3 y 0.5 voltios.
Figura 6. Demostración, símbolo y encapsulado diodo Schottky.
Arriba se muestra la construcción simplificada en el que un semiconductor de silicio de
tipo n ligeramente dopado se une con un electrodo metálico para producir lo que se
denomina una «unión metal-semiconductor».
La anchura, y por tanto las características eléctricas, de esta unión metal-semiconductor
dependerán en gran medida del tipo de compuesto metálico y del material
semiconductor utilizado en su construcción, pero cuando esta en polarización directa,
los electrones se mueven desde el material de tipo n hacia el electrodo metálico
permitiendo que fluya la corriente. Por lo tanto, la corriente a través del diodo Schottky
es el resultado de la deriva de los portadores mayoritarios.
Funcionamiento del Diodo Schottky
Diodo Schottky no polarizado
Figura 7. Diodo Schottky no polarizado
Cuando el metal se une al semiconductor tipo n, los electrones de la banda de
conducción (electrones libres) del semiconductor tipo n se desplazarán del
semiconductor tipo n al metal para establecer un estado de equilibrio.
Los electrones de la banda de conducción o los electrones libres que cruzan la unión,
proporcionarán electrones adicionales a los átomos del metal. Como resultado, los
átomos de la unión del metal ganan electrones extra y los átomos de la unión del lado n
pierden electrones.
Los átomos que pierden electrones en la unión del lado n se convertirán en iones
positivos, mientras que los átomos que ganan electrones adicionales en la unión del
metal se convertirán en iones negativos. Así, se crean iones positivos en la unión del
lado n e iones negativos en la unión del metal. Estos iones positivos y negativos no son
más que la región de agotamiento.
Para superar esta barrera, los electrones libres necesitan una energía mayor que la
tensión incorporada. En un diodo schottky no polarizado, sólo un pequeño número de
electrones fluye desde el semiconductor tipo n hacia el metal. La tensión integrada
impide el flujo de electrones desde la banda de conducción del semiconductor hacia el
metal.
La transferencia de electrones libres del semiconductor de tipo n al metal da lugar a la
flexión de la banda de energía cerca del contacto.
Diodo Schottky en polarización directa
Figura 8. Polarización en inversa.
Si el terminal positivo de la batería está conectado al metal y el terminal negativo de la
batería está conectado al semiconductor de tipo n, se dice que el diodo schottky está en
polarización directa.
Cuando se aplica una tensión de polarización directa al diodo schottky, se genera un
gran número de electrones libres en el semiconductor de tipo n y en el metal. Sin
embargo, los electrones libres en el semiconductor tipo n y en el metal no pueden cruzar
la unión a menos que la tensión aplicada sea superior a 0.2 voltios.
Si la tensión aplicada es superior a 0.2 voltios, los electrones libres ganan suficiente
energía y superan la tensión integrada de la región de agotamiento. Como resultado, la
corriente eléctrica comienza a fluir a través del diodo schottky.
Si la tensión aplicada aumenta continuamente, la región de agotamiento se vuelve muy
fina y finalmente desaparece.
Diodo Schottky en polarización inversa
Figura 9. Polarización en inversa.
Si el terminal negativo de la pila está conectado al metal y el terminal positivo de la pila
está conectado al semiconductor de tipo n, se dice que el diodo schottky tiene
polarización inversa.
Cuando se aplica una tensión de polarización inversa al diodo schottky, el ancho de la
región de agotamiento aumenta. Como resultado, la corriente eléctrica deja de fluir. Sin
embargo, fluye una pequeña corriente de fuga debido a los electrones excitados
térmicamente en el metal.
Si se aumenta continuamente la tensión de polarización inversa, la corriente eléctrica
aumenta gradualmente debido a la debilidad de la barrera.
Si la tensión de polarización inversa aumenta mucho, se produce un aumento repentino
de la corriente eléctrica. Este aumento repentino de la corriente eléctrica hace que la
región de agotamiento se rompa, lo que puede dañar permanentemente el dispositivo.
Curva Característica del Diodo Schottky
Figura 10. Curva característica.
Como podemos ver, la forma general de las características I-V del diodo Schottky es
muy similar a la de un diodo de unión PN estándar, excepto que la esquina a la que el
diodo Schottky comienza a conducir es mucho más baja, alrededor de 0.4 voltios.
Debido a este menor valor, la corriente directa de un diodo Schottky de silicio puede ser
muchas veces mayor que la de un típico diodo de unión pn, dependiendo del electrodo
metálico utilizado. Recuerde que la ley de Ohm nos dice que la potencia es igual a los
voltios por los amperios, (P = V*I) por lo que una menor caída de tensión directa para
una corriente de diodo dada, ID producirá una menor disipación de potencia directa en
forma de calor a través de la unión.
Bibliografía:
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de montaje superficial. Recuperado 24 de noviembre de 2021, de
https://tecnologiademontajesuperficial.es.tl/VARISTORES-SMD.htm
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