Varistor

Grundprinzip und Bedeutung

Ein Varistor ist ein elektrisches Bauelement mit einem von der angelegten Spannung abhängigen Widerstand. Unterhalb seiner typischen Schwellenspannung ist sein Widerstand sehr groß. Wird diese Spannung überschritten, sinkt der differentielle Widerstand – also der Widerstand gegenüber kleinen Strom- und Spannungsänderungen – abrupt. Dadurch kann der Varistor einen stark zunehmenden Strom ableiten und eine Überspannung begrenzen.

Das Verhalten ist für beide Polaritäten gleich; anders als bei einer Diode entsteht kein Gleichrichtereffekt. Varistoren werden auch VDR (Voltage Dependent Resistor) genannt. Bei Metalloxid-Varistoren ist die Abkürzung MOV üblich. Ihre wichtigste Aufgabe ist der Überspannungsschutz. Dazu wird ein Varistor parallel zu dem Bauelement oder der Schaltung angeschlossen, die geschützt werden soll.

Aufbau und Wirkungsweise

Varistoren bestehen aus Siliziumkarbid (SiC) oder aus Zinkoxid (ZnO), das mit weiteren Metalloxiden wie Bismutoxid, Chromoxid oder Manganoxid vermischt wird. Das Pulver wird zu einer Tablette gepresst und gesintert, also durch Erhitzen verdichtet. Der entstandene Rohling erhält auf zwei Seiten Kontakte aus Silber oder Aluminium sowie elektrische Anschlüsse. Die Strom-Spannungs-Kennlinie von SiC-Varistoren ist stärker abgerundet als die von ZnO-Varistoren.

Ein Zinkoxid-Varistor enthält viele kleine ZnO-Körner unterschiedlicher Leitfähigkeit. An ihren Berührungsstellen entstehen Sperrschichten, die den Stromfluss hemmen. Eine angelegte Spannung erzeugt ein elektrisches Feld und baut einen Teil dieser Sperrschichten ab. Mit wachsender Spannung werden immer mehr Sperrschichten abgebaut, sodass der Widerstand sinkt.

Die Schwellenspannung lässt sich über die Dicke der Varistorscheibe beeinflussen: Eine dickere Scheibe enthält mehr in Reihe geschaltete Zinkoxidkörner und besitzt deshalb eine höhere Schwellenspannung.

Kennlinie und Betriebsbereiche

Die Strom-Spannungs-Kennlinie kann linear dargestellt werden, wodurch Symmetrie und Schwellenspannung gut sichtbar werden, oder doppelt logarithmisch, wodurch charakteristische Einzelheiten deutlicher hervortreten.

Als Ansprechspannung, Schwellenspannung oder Varistorspannung UV geben Datenblätter meist den Spannungsabfall bei IV = 1 mA an. Dieser Punkt liegt ungefähr am Anfang des Durchbruchbereichs, in dem die Schutzwirkung einsetzt. Dort wird die Kennlinie näherungsweise beschrieben durch

|I| = IV · (|U|/UV)^γ

oder

|U| = UV · (|I|/IV)^β,

wobei U · I ≥ 0 und β = 1/γ gilt. Der Exponent γ bestimmt die Steigung der Kennlinie. Für ZnO-Varistoren werden typische Bereiche von 30…70 beziehungsweise 25…50 angegeben; für SiC-Varistoren 3…7 beziehungsweise 5…7.

Unterhalb des Durchbruchbereichs liegt der Leckstrombereich mit typischen Stromstärken unter 1 μA. In diesem Bereich arbeitet der Varistor im Normalbetrieb. Oberhalb des Durchbruchbereichs kommt ein ohmscher Anteil hinzu. Im Hochstrombereich jenseits eines im Datenblatt angegebenen Stromstoßes darf der Varistor nur einmal belastet werden.

Im Dauerbetrieb müssen sowohl eine anliegende Gleichspannung als auch der Scheitelwert einer Wechselspannung unterhalb von UV bleiben. Varistoren sind in fein abgestuften Spannungswerten über mehrere Zehnerpotenzen erhältlich; die Exemplarstreuung beträgt vielfach 10 %.

Bauformen und Dimensionierung

Häufige Bauformen sind:

• Scheiben mit Anschlussdrähten, • Surface-mounted Devices, also direkt auf der Oberfläche einer Leiterplatte montierte Bauelemente, • an Schaltschütze angeklippste Varistoren.

Die erforderliche Baugröße richtet sich nach der Belastung. Im kontinuierlichen Betrieb ist vor allem die elektrische Leistung entscheidend, die als Wärme abgegeben werden muss. Bei einzelnen Störspitzen bestimmt dagegen hauptsächlich die Energie, die der Varistor kurzzeitig speichern beziehungsweise aufnehmen muss, seine Größe.

Rechenbeispiel und Widerstandsbegriffe

Für einen Varistor mit UV = 30 V, IV = 1 mA und γ = 40 zeigt sich die starke Nichtlinearität besonders deutlich:

• Bei einer um 10 % höheren Spannung wächst die Stromstärke um den Faktor (1 + 10 %)⁴⁰ = 1,1⁴⁰ ≈ 45. • Bei einer um 10 % höheren Stromstärke steigt die Spannung um den Faktor (1 + 10 %)ᵝ, additiv also nur um 2,4 ‰. • Bei einer um den Faktor 1000 höheren Stromstärke steigt die Spannung um den Faktor 1000^(1/40) ≈ 1,19, also um 19 %.

Der Großsignalwiderstand R = U/I bezieht sich auf die gesamte Spannung und Stromstärke. Bei 1 mA gilt R(1 mA) = UV/IV = 30 kΩ. Bei 1 A ergibt sich R(1 A) = 1,19 · UV/(1000 · IV) ≈ 36 Ω. Der Großsignalwiderstand bei 1 A beträgt damit nur etwa das 1/840 des Wertes bei 1 mA und ist somit fast drei Zehnerpotenzen kleiner.

Der Kleinsignalwiderstand oder differentielle Widerstand beschreibt kleine Änderungen und ist definiert als r = dU/dI. Aus der Kennlinie folgt dU/dI = β · U/I. Daher gilt im Durchbruchbereich r = (1/γ) · U/I. Im Beispiel mit γ = 40 ist der Kleinsignalwiderstand bei jeder Stromstärke um den Faktor 1/40 kleiner als der jeweilige Großsignalwiderstand.

Einsatz, Grenzen und Alternativen

Varistoren schützen empfindliche elektronische Schaltungen und Anlagen der Energietechnik vor Überspannungen. Im Normalbetrieb ist ihr Widerstand sehr groß; bei einer Überspannung wird er fast verzögerungsfrei klein, sodass elektrische Ladung abfließen kann. Die Ansprechzeit liegt unter einer Nanosekunde. Kurzzeitige Überspannungen können sie deshalb sehr schnell begrenzen, ohne zerstört zu werden. Bei länger dauernder Belastung überhitzen sie jedoch, weil die aufnehmbare Energie von ihrer Gesamtmasse abhängt.

ZnO-Varistoren altern durch mehrere kleinere Überspannungen: Ihre Schwellenspannung sinkt und ihr Leckstrom nimmt zu. Eine einzige Belastung im Hochstrombereich kann ihre Schutzwirkung beenden. Deshalb sollen sie zusammen mit einer Sicherung betrieben werden, um beispielsweise Brände zu vermeiden. SiC-Varistoren zeigten diese Art der Alterung nicht. Überspannungsschutzgeräte können den Betriebszustand kontrollieren und optisch oder durch ein elektrisches Signal melden, dass ein Varistor ausgetauscht werden muss.

Suppressordioden sind eine Alternative für Schutzschaltungen. Sie werden bei Überspannung bereits durch geringe Energien zerstört und deshalb vor allem für kleinere Spannungen eingesetzt, wie sie beispielsweise auf Signalleitungen auftreten. Im Gegensatz zu Varistoren altern sie jedoch nicht. Bei hochfrequenten Signalen kann die erheblich höhere Kapazität eines Varistors das Nutzsignal unzulässig dämpfen.

Gasableiter und Funkenstrecken dienen als Grobschutzelemente. Sie können sehr große Energien aufnehmen, reagieren mit bis zu einigen Mikrosekunden aber langsamer als Varistoren. Daher werden sie häufig mit Varistoren kombiniert. Außerdem können Varistoren in Reihenschaltungen von Glühlampen, etwa in Lichterketten, als Bedarfs-Strombrücke eingesetzt werden.