Introdução

Na fabricação dos Dispositivos de Proteção contra Surtos (DPS) são utilizados três componentes: centelhadores, varistores ou diodos.  Embora os três elementos desempenhem  a mesma função na proteção contra sobretensões transitórias, cada um deles possui suas próprias características.

Varistores de Oxido Metálico

Por ser o elemento mais utilizado nos DPS para energia, é importante conhecer o comportamento do Varistor de Óxido Metálico (MOV) para aumentar a nossa compreensão sobre os DPS em geral e os fabricados a partir dos varistores em particular.
O nome varistor deriva de Resistor Variável (Variable Resistor), um componente cuja impedância diminui com o aumento da diferença de potencial em seus terminais. Varistores de Oxido Metálico foram desenvolvidos em 1968 no Japão, pela Matsushita Eletric Corp.

Óxido de Zinco

Atualmente, são utilizados varistores de óxido de zinco (ZnO), materiais cerâmicos policristalinos, semicondutores, que apresentam características elétricas não lineares. Eles possuem impedância muito alta, circuito aberto, para a tensão nominal do sistema em 60hz, e esta impedância é reduzida para valores muito baixos; circuito fechado, quando esta tensão alcança um determinado valor, definido no desenvolvimento do varistor. Voltando à tensão ao seu valor inicial, a sua impedância também retorna ao seu valor inicial, até que a vida útil do varistor chegue ao seu final.

Modelo Matemático

O modelo matemático do varistor é definido pela equação I=kVα, onde  α é o coeficiente de não linearidade do varistor. Quanto maior o valor de α, mais eficaz será o varistor, sendo que um resistor teria α = 1. Os atuais varistores de oxido de zinco possuem um valor característico de α = 30.
K é uma constante que depende das características do material utilizado no varistor.

Fabricação

Os varistores são fabricados com grãos de óxidos de zinco adicionados a outros componentes como bismuto, cobalto, manganês e outros óxidos metálicos. Os grãos de óxido de zinco são separados entre si, formando uma barreira de potencial com características semicondutoras.
Estas barreiras são responsáveis por impedir a condução do varistor para baixas diferenças de potencial e permitir sua condução em tensões mais altas, conferindo ao varistor suas características não lineares.
Como os grãos de óxido de zinco são distribuídos homogeneamente através do corpo do varistor, sua capacidade de condução é maior do que a de uma única junção P-N comparado a um diodo Zener, o que explica porque os varistores tem capacidade de condução de corrente e dissipação de energia, superiores aos diodos Zener.
Como as características elétricas do varistor são controladas pelas suas dimensões, e os varistores são fornecidos na forma de disco, a capacidade de energia depende do seu volume e seu nível de proteção da sua espessura.
Dobrar a sua espessura dobra o nível de proteção, porque duas vezes mais microvaristores são colocados em série, e dobrar a área, dobra a sua capacidade de condução de energia, porque o dobro de caminhos de condução está em paralelo.

Tempo de Resposta

Os varistores respondem ao aumento da tensão em seus terminais em menos do que 0,5ns. Existem varistores com tempo de resposta de até 50ns. Esta, relativamente lenta resposta dos varistores, deve-se às indutâncias parasitas presentes no corpo e nas conexões dos varistores.

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Figura 1 – Varistor de Oxido de Zinco            

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Figura 2 – Diagrama de um Varistor

Degradação dos Varistores

Ao contrário dos centelhadores e diodos, os varistores sofrem degradação e não voltam mais ao seu estado inicial, de não condução, após a tensão em seus terminais retornar ao normal, o que acontece após um determinado número de atuações. O tempo de vida do varistor depende das características elétricas, microestruturas e da temperatura de operação do varistor.
Os varistores são especificados através da sua corrente nominal de surto e da sua corrente máxima de surto. Enquanto o varistor pode conduzir vinte vezes a corrente nominal, ele pode conduzir apenas duas vezes a corrente máxima.
Devido ao seu processo de degradação, a vida útil do varistor chega ao fim, e ele deve ser retirado do circuito elétrico, porque a degradação do varistor corresponde ao aumento da sua corrente de fuga.
Todos os DPS de energia fabricados com varistores necessitam um sistema de sinalização de fim de vida útil, para indicar a necessidade de substituição do DPS. Esta sinalização é visual e opcionalmente poderá ser sonora ou através de um contato livre de potencial, para permitir um monitoramento remoto do estado do dispositivo.  

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Figura 3 – DPS com varistores

Comportamento em Altas Frequências

Pelas suas características construtivas, os varistores são elementos altamente capacitivos, e sua impedância diminui com o aumento da frequência da corrente em regime, conduzida através do varistor. Por isso os varistores não são utilizados em DPS para entradas de sinal de alta frequência.

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