Pengertian Varistor (Variabel Resistor)
Varistor adalah perangkat semikonduktor solid state dua terminal pasif yang digunakan untuk memberikan perlindungan pada rangkaian listrik dan elektronik.
Tidak seperti sekring atau pemutus sirkuit yang menawarkan proteksi arus berlebih, varistor menyediakan proteksi tegangan berlebih melalui penjepit tegangan dengan cara yang mirip dengan Dioda Zener.
Kata "Varistor" adalah kombinasi dari kata-kata VARI-able resi-STOR yang digunakan untuk menggambarkan mode operasi mereka kembali pada masa awal pengembangan yang sedikit menyesatkan karena varistor tidak dapat secara manual divariasikan seperti Potensiometer atau Rheostat.
Tetapi tidak seperti variabel resistor variabel yang nilai resistansinya dapat secara manual bervariasi antara nilai minimum dan maksimumnya, varistor mengubah nilai resistansi secara otomatis dengan perubahan tegangan yang melintanginya sehingga membuatnya menjadi tegangan, non-linear resistor atau VDR.
Saat ini benda resistif dari varistor dibuat dari bahan semikonduktor menjadikannya jenis resistor semikonduktor dengan tegangan simetris non-ohmik dan karakteristik arus yang cocok untuk aplikasi tegangan AC dan DC.
Dalam banyak hal varistor terlihat serupa dalam ukuran dan desain dengan kapasitor dan sering disalah artikan sebagai Kapasitor. Namun, kapasitor tidak dapat menekan lonjakan tegangan dengan cara yang sama seperti varistor. Ketika lonjakan tegangan tinggi diterapkan ke rangkaian, hasilnya biasanya menjadi bencana bagi rangkaian, oleh karena itu varistor memainkan peran penting dalam perlindungan rangkaian elektronik yang halus dari pergantian lonjakan dan transien tegangan berlebih.
Lonjakan transien berasal dari berbagai rangkaian dan sumber listrik terlepas dari apakah mereka beroperasi dari supply AC atau DC karena sering dihasilkan di dalam rangkaian itu sendiri atau ditransmisikan ke rangkaian dari sumber eksternal. Transien dalam suatu rangkaian dapat naik dengan cepat meningkatkan tegangan hingga beberapa ribu volt, dan lonjakan tegangan inilah yang harus dicegah agar tidak muncul di seluruh rangkaian dan komponen elektronik yang peka.
Salah satu sumber transien tegangan yang paling umum adalah efek L(di/dt) yang disebabkan oleh pengalihan coil induktif dan arus magnetisasi transformator, aplikasi pengalihan motor DC dan lonjakan dari pengaktifan rangkaian pencahayaan fluoresen atau lonjakan supply lainnya.
Varistor terhubung dalam rangkaian di seluruh supply utama baik fasa-ke-netral, fasa-ke-fasa untuk operasi AC, atau positif ke negatif untuk operasi DC dan memiliki peringkat tegangan yang sesuai dengan aplikasi mereka. Varistor juga dapat digunakan untuk stabilisasi tegangan DC dan terutama untuk perlindungan rangkaian elektronik terhadap pulsa tegangan berlebih.
Dalam operasi normal varistor memiliki resistansi yang sangat tinggi, karenanya bagian dari namanya, beroperasi dengan cara yang mirip dengan dioda zener dengan membiarkan tegangan ambang batas yang lebih rendah untuk lewat tidak terpengaruh.
Namun, ketika tegangan melintasi varistor (baik polaritas) melebihi nilai pengenal varistor, resistansi efektifnya menurun secara kuat dengan meningkatnya tegangan seperti yang ditunjukkan.
Kita tahu dari Hukum Ohm bahwa karakteristik arus-tegangan (I-V) dari resistor tetap adalah garis lurus asalkan R tetap konstan. Kemudian arus berbanding lurus dengan Beda Potensial di ujung-ujung resistor.
Tetapi kurva I-V dari varistor bukan garis lurus karena perubahan kecil dari tegangan menyebabkan perubahan arus yang signifikan. Kurva tegangan normal versus karakteristik arus normal untuk varistor standar diberikan di bawah ini.
Kita dapat melihat dari atas, bahwa varistor memiliki karakteristik dua-arah simetris, yaitu varistor beroperasi di kedua arah (kuadran Ι dan ΙΙΙ) dari bentuk gelombang sinusoidal berperilaku dalam cara yang mirip dengan dua dioda zener yang dihubungkan secara back-to-back. Ketika tidak berjalan, kurva I-V menunjukkan hubungan linier karena arus yang mengalir melalui varistor tetap konstan dan rendah pada hanya beberapa mikro-ampere arus "kebocoran". Hal ini disebabkan karena resistansi-nya yang tinggi bertindak sebagai rangkaian terbuka dan tetap konstan sampai tegangan melintasi varistor (baik polaritas) mencapai "tegangan pengenal" tertentu.
Tegangan pengenal atau penjepit ini adalah tegangan melintasi varistor yang diukur dengan arus DC 1mA yang ditentukan. Yaitu, level tegangan DC diterapkan pada terminal-terminalnya yang memungkinkan arus 1mA mengalir melalui bodi resistif varistor yang dengan sendirinya tergantung pada bahan yang digunakan dalam konstruksinya. Pada level tegangan ini, varistor mulai berubah dari kondisi isolasi menjadi konduktor.
Ketika tegangan transien melintasi varistor sama dengan atau lebih besar dari nilai pengenal, resistansi perangkat tiba-tiba menjadi sangat kecil mengubah varistor menjadi konduktor karena efek longsoran dari bahan semikonduktornya. Arus bocor kecil yang mengalir melalui varistor dengan cepat naik tetapi tegangan melintas terbatas pada tingkat tepat di atas tegangan varistor.
Dengan kata lain, varistor mengatur sendiri tegangan transien melewatinya dengan membiarkan lebih banyak arus mengalir melaluinya dan karena kurva I-V non-liniernya yang curam, ia dapat melewati berbagai arus yang bervariasi pada rentang tegangan sempit yang memotong setiap lonjakan tegangan.
Ketika digunakan dalam rangkaian DC, kapasitansi dari varistor tetap lebih atau kurang konstan asalkan tegangan yang diberikan tidak meningkat di atas level tegangan penjepit, dan turun tiba-tiba di dekat menuju tegangan DC kontinu terukur maksimumnya.
Namun, di rangkaian AC, kapasitansi ini dapat memengaruhi ketahanan tubuh perangkat di wilayah kebocoran non-konduktor dengan karakteristik I-V-nya. Karena mereka biasanya dihubungkan secara paralel dengan perangkat listrik untuk melindunginya terhadap tegangan berlebih, resistansi kebocoran varistor turun dengan cepat dengan peningkatan frekuensi.
Hubungan ini kira-kira linier dengan frekuensi dan resistansi paralel yang dihasilkan, reaktansi AC-nya, Xc dapat dihitung dengan menggunakan 1/(2πƒC) seperti untuk kapasitor normal. Kemudian ketika frekuensi meningkat demikian juga dengan arus bocornya.
Tetapi juga varistor berbasis semikonduktor silikon, varistor oksida logam telah dikembangkan untuk mengatasi beberapa keterbatasan yang terkait dengan saudara silikon karbida.
Tidak seperti sekring atau pemutus sirkuit yang menawarkan proteksi arus berlebih, varistor menyediakan proteksi tegangan berlebih melalui penjepit tegangan dengan cara yang mirip dengan Dioda Zener.
Kata "Varistor" adalah kombinasi dari kata-kata VARI-able resi-STOR yang digunakan untuk menggambarkan mode operasi mereka kembali pada masa awal pengembangan yang sedikit menyesatkan karena varistor tidak dapat secara manual divariasikan seperti Potensiometer atau Rheostat.
Tetapi tidak seperti variabel resistor variabel yang nilai resistansinya dapat secara manual bervariasi antara nilai minimum dan maksimumnya, varistor mengubah nilai resistansi secara otomatis dengan perubahan tegangan yang melintanginya sehingga membuatnya menjadi tegangan, non-linear resistor atau VDR.
Dalam banyak hal varistor terlihat serupa dalam ukuran dan desain dengan kapasitor dan sering disalah artikan sebagai Kapasitor. Namun, kapasitor tidak dapat menekan lonjakan tegangan dengan cara yang sama seperti varistor. Ketika lonjakan tegangan tinggi diterapkan ke rangkaian, hasilnya biasanya menjadi bencana bagi rangkaian, oleh karena itu varistor memainkan peran penting dalam perlindungan rangkaian elektronik yang halus dari pergantian lonjakan dan transien tegangan berlebih.
Lonjakan transien berasal dari berbagai rangkaian dan sumber listrik terlepas dari apakah mereka beroperasi dari supply AC atau DC karena sering dihasilkan di dalam rangkaian itu sendiri atau ditransmisikan ke rangkaian dari sumber eksternal. Transien dalam suatu rangkaian dapat naik dengan cepat meningkatkan tegangan hingga beberapa ribu volt, dan lonjakan tegangan inilah yang harus dicegah agar tidak muncul di seluruh rangkaian dan komponen elektronik yang peka.
Salah satu sumber transien tegangan yang paling umum adalah efek L(di/dt) yang disebabkan oleh pengalihan coil induktif dan arus magnetisasi transformator, aplikasi pengalihan motor DC dan lonjakan dari pengaktifan rangkaian pencahayaan fluoresen atau lonjakan supply lainnya.
Transien Gelombang AC
Varistor terhubung dalam rangkaian di seluruh supply utama baik fasa-ke-netral, fasa-ke-fasa untuk operasi AC, atau positif ke negatif untuk operasi DC dan memiliki peringkat tegangan yang sesuai dengan aplikasi mereka. Varistor juga dapat digunakan untuk stabilisasi tegangan DC dan terutama untuk perlindungan rangkaian elektronik terhadap pulsa tegangan berlebih.
Resistansi Statis Varistor
Namun, ketika tegangan melintasi varistor (baik polaritas) melebihi nilai pengenal varistor, resistansi efektifnya menurun secara kuat dengan meningkatnya tegangan seperti yang ditunjukkan.
Kita tahu dari Hukum Ohm bahwa karakteristik arus-tegangan (I-V) dari resistor tetap adalah garis lurus asalkan R tetap konstan. Kemudian arus berbanding lurus dengan Beda Potensial di ujung-ujung resistor.
Tetapi kurva I-V dari varistor bukan garis lurus karena perubahan kecil dari tegangan menyebabkan perubahan arus yang signifikan. Kurva tegangan normal versus karakteristik arus normal untuk varistor standar diberikan di bawah ini.
Kurva Karakteristik Varistor
Kita dapat melihat dari atas, bahwa varistor memiliki karakteristik dua-arah simetris, yaitu varistor beroperasi di kedua arah (kuadran Ι dan ΙΙΙ) dari bentuk gelombang sinusoidal berperilaku dalam cara yang mirip dengan dua dioda zener yang dihubungkan secara back-to-back. Ketika tidak berjalan, kurva I-V menunjukkan hubungan linier karena arus yang mengalir melalui varistor tetap konstan dan rendah pada hanya beberapa mikro-ampere arus "kebocoran". Hal ini disebabkan karena resistansi-nya yang tinggi bertindak sebagai rangkaian terbuka dan tetap konstan sampai tegangan melintasi varistor (baik polaritas) mencapai "tegangan pengenal" tertentu.
Tegangan pengenal atau penjepit ini adalah tegangan melintasi varistor yang diukur dengan arus DC 1mA yang ditentukan. Yaitu, level tegangan DC diterapkan pada terminal-terminalnya yang memungkinkan arus 1mA mengalir melalui bodi resistif varistor yang dengan sendirinya tergantung pada bahan yang digunakan dalam konstruksinya. Pada level tegangan ini, varistor mulai berubah dari kondisi isolasi menjadi konduktor.
Ketika tegangan transien melintasi varistor sama dengan atau lebih besar dari nilai pengenal, resistansi perangkat tiba-tiba menjadi sangat kecil mengubah varistor menjadi konduktor karena efek longsoran dari bahan semikonduktornya. Arus bocor kecil yang mengalir melalui varistor dengan cepat naik tetapi tegangan melintas terbatas pada tingkat tepat di atas tegangan varistor.
Dengan kata lain, varistor mengatur sendiri tegangan transien melewatinya dengan membiarkan lebih banyak arus mengalir melaluinya dan karena kurva I-V non-liniernya yang curam, ia dapat melewati berbagai arus yang bervariasi pada rentang tegangan sempit yang memotong setiap lonjakan tegangan.
Nilai Kapasitansi Varistor
Karena daerah konduktor utama dari varistor antara dua terminalnya berperilaku seperti dielektrik, di bawah tegangan penjepitnya, varistor bertindak seperti kapasitor daripada resistor. Setiap varistor semikonduktor memiliki nilai kapasitansi yang tergantung langsung pada area dan bervariasi berbanding terbalik dengan ketebalannya.Ketika digunakan dalam rangkaian DC, kapasitansi dari varistor tetap lebih atau kurang konstan asalkan tegangan yang diberikan tidak meningkat di atas level tegangan penjepit, dan turun tiba-tiba di dekat menuju tegangan DC kontinu terukur maksimumnya.
Namun, di rangkaian AC, kapasitansi ini dapat memengaruhi ketahanan tubuh perangkat di wilayah kebocoran non-konduktor dengan karakteristik I-V-nya. Karena mereka biasanya dihubungkan secara paralel dengan perangkat listrik untuk melindunginya terhadap tegangan berlebih, resistansi kebocoran varistor turun dengan cepat dengan peningkatan frekuensi.
Hubungan ini kira-kira linier dengan frekuensi dan resistansi paralel yang dihasilkan, reaktansi AC-nya, Xc dapat dihitung dengan menggunakan 1/(2πƒC) seperti untuk kapasitor normal. Kemudian ketika frekuensi meningkat demikian juga dengan arus bocornya.
Tetapi juga varistor berbasis semikonduktor silikon, varistor oksida logam telah dikembangkan untuk mengatasi beberapa keterbatasan yang terkait dengan saudara silikon karbida.
Varistor Oksida Logam (MOV)
Metal Oxide Varistor atau MOV, adalah tegangan resistor bergantung di mana bahan resistansi adalah oksida logam, terutama seng oksida (ZnO) ditekan menjadi keramik seperti bahan. Varistor oksida logam terdiri dari sekitar 90% seng oksida sebagai bahan dasar keramik ditambah bahan pengisi lainnya untuk pembentukan persimpangan antara butir seng oksida.
Varistor oksida logam sekarang merupakan jenis yang paling umum dari perangkat penjepit tegangan dan tersedia untuk digunakan pada berbagai tegangan dan arus. Penggunaan oksida logam dalam konstruksi mereka berarti MOV sangat efektif dalam menyerap transien tegangan jangka pendek dan memiliki kemampuan penanganan energi yang lebih tinggi.
Seperti varistor normal, varistor oksida logam mulai konduksi pada tegangan tertentu dan berhenti konduksi ketika tegangan turun di bawah tegangan ambang batas. Perbedaan utama antara varistor silikon karbida (SiC) standar dan varistor tipe MOV adalah bahwa arus bocor melalui bahan seng oksida MOV adalah arus yang sangat kecil pada kondisi operasi normal dan kecepatan operasi dalam penjepitan transien jauh lebih cepat.
MOV umumnya memiliki ujung radial dan lapisan epoksi keras biru atau hitam luar yang sangat mirip dengan kapasitor cakram keramik dan secara fisik dapat dipasang pada papan rangkaian dan PCB dengan cara yang sama. Konstruksi varistor oksida logam khas diberikan sebagai:
Konstruksi Varistor Oksida Logam (MOV)
Untuk memilih MOV yang benar untuk aplikasi tertentu, diinginkan untuk memiliki pengetahuan tentang impedansi sumber dan kekuatan pulsa yang mungkin dari transien. Untuk transien yang ditularkan melalui saluran atau fasa, pemilihan MOV yang benar sedikit lebih sulit karena umumnya karakteristik power supply tidak diketahui. Secara umum, pemilihan MOV untuk proteksi kelistrikan dari transien power supply dan lonjakan seringkali lebih dari sekadar dugaan yang berpendidikan.
Namun, varistor oksida logam tersedia dalam berbagai tegangan varistor, dari sekitar 10 volt hingga lebih dari 1.000 volt AC atau DC, sehingga pemilihan dapat dibantu dengan mengetahui tegangan supply. Misalnya, memilih MOV atau varistor silikon untuk masalah itu, untuk tegangan, nilai tegangan rms kontinu maksimumnya harus tepat di atas tegangan supply tertinggi yang diharapkan, katakanlah 130 volt rms untuk supply 120 volt, dan 260 volt rms untuk supply 230 volt.
Nilai arus lonjakan maksimum yang akan diambil varistor tergantung pada lebar pulsa sementara dan jumlah pengulangan pulsa. Asumsi dapat dibuat pada lebar pulsa sementara yang biasanya 20 hingga 50 mikrodetik (μs). Jika peringkat arus pulsa puncak tidak mencukupi, maka varistor dapat menjadi terlalu panas dan menjadi rusak. Jadi untuk varistor beroperasi tanpa kegagalan atau degradasi, varistor harus dapat dengan cepat menghilangkan energi yang diserap dari pulsa sementara dan kembali dengan aman ke kondisi pra-pulsa.
Aplikasi Varistor
Varistor memiliki banyak keuntungan dan dapat digunakan dalam berbagai jenis aplikasi untuk menekan transien yang ditanggung oleh induk dari peralatan rumah tangga dan penerangan ke peralatan industri baik pada saluran listrik AC atau DC. Varistor dapat dihubungkan langsung di seluruh supply utama dan melintasi sakelar semikonduktor untuk melindungi Transistor, jembatan MOSFET dan Thyristor.
Rangkaian Aplikasi Varistor
Ringkasan Varistor
Dalam tutorial ini kita telah melihat bahwa fungsi dasar dari Voltage Dependent Resistor, atau VDR, adalah untuk melindungi perangkat elektronik dan rangkaian listrik terhadap lonjakan tegangan dan lonjakan, seperti yang dihasilkan oleh transien switching induktif.
Karena varistor tersebut digunakan dalam rangkaian elektronik sensitif untuk memastikan bahwa jika tegangan tiba-tiba melebihi nilai yang telah ditentukan, varistor akan secara efektif menjadi hubung singkat untuk melindungi rangkaian yang dihubunginya dari tegangan berlebih karena mereka dapat menahan arus puncak ratusan dari ampere.
Varistor adalah jenis resistor dengan karakteristik tegangan arus non-linear, non-ohmik dan merupakan cara yang andal dan ekonomis untuk memberikan perlindungan terhadap transien dan lonjakan tegangan berlebih.
Mereka mencapai ini dengan bertindak sebagai perangkat penghambat resistansi tinggi pada tegangan rendah dan sebagai perangkat penghantar resistansi yang baik pada tegangan lebih tinggi. Efektivitas varistor dalam melindungi rangkaian listrik atau elektronik tergantung pada pemilihan varistor yang tepat berkaitan dengan tegangan, arus dan disipasi energi.
Metal Oxide Varistors, atau MOV biasanya terbuat dari bahan logam seng oksida berbentuk cakram kecil. Mereka tersedia dalam banyak nilai untuk rentang tegangan tertentu. Rating tegangan MOV, yang disebut "tegangan varistor" adalah tegangan melintasi varistor ketika arus 1mA dilewatkan melalui perangkat. Level tegangan varistor ini pada dasarnya adalah titik pada Kurva Karakteristik I-V ketika perangkat mulai berjalan. Varistor oksida logam juga dapat dihubungkan secara seri untuk meningkatkan peringkat tegangan penjepit.
Sementara varistor oksida logam (MOV) banyak digunakan di banyak rangkaian elektronik daya AC untuk melindungi dari transient tegangan berlebih, ada juga tipe lain dari perangkat penekan tegangan solid state seperti Dioda, Dioda Zener dan penekan yang semuanya dapat digunakan dalam beberapa tegangan AC atau DC aplikasi penekanan bersama dengan Varistor.