Universidade Federal do Maranhão Centro de Ciências Exatas e da Natureza

Departamento de Engenharia da Eletricidade

Disciplina: Laboratório de Materiais Elétricos – DEEE0081 Professor: Dr. Francisco Sávio Mendes Sinfrônio Assunto: Resistores variáveis – varistores 1. Objetivos

• Desenvolver conceitos básicos sobre resistores variáveis; • Determinar o valor de tensão limite de varistores de óxidos metálicos (VDR); • Determinar a curva de característica I-V de varistores de óxidos metálicos.

2. Introdução As muitas vantagens da técnica de semicondutores se opõem ao inconveniente

da grande sensibilidade à sobretensão do material semicondutor. A proteção ideal contra sobretensões tem sido um aspecto de importância primordial com o avanço da eletrônica em todos os campos. Neste contexto os varistores de óxido metálico (VDR) aparecem como elementos de proteção indispensáveis por sua vasta aplicação e confiabilidade. 2.1. Varistores

O varistor, em inglês VDR (Voltage Dependent Resistor), é uma resistência cujo valor nominal é uma função da própria tensão aplicada aos terminais. Isto é, à medida que a diferença de potencial sobre o varistor aumenta, sua resistência diminui.

Quando um transitório ocorre, o valor nominal da resistência reduz-se drasticamente, absorvendo assim os eventuais picos de corrente que, caso contrário, seriam injetados no circuito. Assim, VDR são geralmente utilizados na eliminação de picos de tensão introduzidos nas linhas de alimentação, durante as operações de ligação, e na desativação de aparelhos, descargas atmosféricas, acionamento de termostatos, fundição de fusíveis, etc.

O tipo mais comum de varistor, chamado metal oxide varistor (MOV), consiste em um bloco de óxido de zinco, com dois eletrodos. Este varistor é capaz de deixar passar tensões de até um certo limite, 170 volts por exemplo. Caso a tensão exceda o limite, o excedente será transformado em calor. Caso a sobretensão continue por muito tempo, o varistor queima, inutilizando o filtro de linha, mas protegendo o equipamento.

Geralmente, os filtros de linha usam dois ou quatro varistores, auxiliados por um fusível. A ideia é que o fusível, que é fácil de trocar, queime antes dos varistores, evitando que o filtro de linha seja inutilizado ao receber qualquer descarga mais forte.

Usualmente os varistores são manufaturados seguindo as configurações estruturais e operacionais dispostas na Tabela 1:

Tabela 1 – Parâmetros operacionais de dispositivos VDR. Parâmetro Valor

Diâmetros disponíveis do elemento varistor 5, 7, 10, 14, 20 mm

Margem de proteção (conforme o tipo) 16 – 1000 V Corrente de choque (conforme o tipo) < 6500 A

Capacidade de absorção de energia (conforme o tipo)

< 500 J

Capacidade de carga permanente (conforme o tipo)

< 1,0 W

Tempo de resposta < 25 ns Coeficiente de temperatura da tensão -0,5 x 103 V.K-1

Tolerância da tensão ± 10% (D K) Faixa de temperatura de funcionamento -40 oC a +85 °C

Faixa de temperatura de armazenamento -40 oC a +125°C Resistência à tensão 2,5 KV

Na Figura 1 é mostrada a curva característica I-V de um varistores VDR

genérico.

Figura 1 – Curva característica I-V para um varistor de óxido metálico.

De modo geral, as curvas características I-V de varistores de óxido metálico são descritas por funções exponenciais simétricas, segundo equação:

𝑉 = 𝑘. 𝐼!

na qual, I é a corrente no varistor, U representa a tensão no varistor, k equivale a uma constante dependente da geometria e a representa um expoente não linear (3, 5, 7...). Tal comportamento pode ainda ser representado pela equação:

𝑙𝑜𝑔𝑉 = 𝑙𝑜𝑔𝑘 + 𝑎. 𝑙𝑜𝑔𝐼 na qual é utilizando um arranjo bilogaritmo de suas variáveis.

3. Material

• Varistores VDR (14D391K e HEL 10D471K) • Teraômetro 5kV - MI 2077, marca Metrel; • 2 cabos banana-jacaré (positivo e negativo); • Placa polimérica(proteção).

3.1. Medida da resistência em função da voltagem (teste do patamar de

potência)

Tal ensaio tem como objetivo determinar o grau de fadiga elétrica nos varistores, mediante elevação sequencial de tensão (razão de voltagem de 1:5). Sendo, em cada patamar, induzida uma mesma diferença de potencial elétrico (Fig. 2).

Figura 2 – Processo típico de ensaios de patamar de potência.

 

3.2. Teste de tensão limite

O teste de tensão limite basea-se na aplicação de uma tensão de fadiga até o colapso dielétrico do dispositivo avaliado. Este, por sua vez, ocorre na forma de um aumento súbito da corrente volumétrica do isolante, para além do limite predefinido. As etapas das medidas de tensão limite são indicadas nas curvas de tensão em funçaõ do tempo (Fig. 3).

Figura 3 – Procedimento de medida para teste de tensão limite.

4. Procedimento

Determinar a curva característica I-V dos varistores mediante teste do patamar de potência, nas seguintes condições experimentais:

• Tempo de patamar: 1,0 min;

• Tensão nominal: 50, 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 750, 800, 1000 V.

Assim, deve-se anotar os valores de tensão nominal (V), tensão de teste (V) resistência (Ω) e corrente (A).

Por fim, determinar os valores de tensão limite dos varistores ensaiados, segundo ensaio de tensão suportável, aplicando uma corrente de 1,0 mA.

5. Análise dos dados e relatório técnico

O relatório deverá conter, de maneira clara e sucinta, as seguintes informações: • Identificação gerais do autor; • Fundamentação teórica dos tópicos abordados (teorias, equações, exemplos

de aplicação, etc.) • Objetivos e metas propostas para experimentação prática; • Lista de equipamentos e dispositivos utilizados. • Esquemas e procedimentos utilizados durante o desenvolvimento dos ensaios; • Dados obtidos e resultados alcançados; • Conclusões finais; • Bibliografia empregada.