Varistor: Cómo Funciona y Dónde se Utiliza en Electrónica

¡Hola, entusiastas de la electrónica!

Si alguna vez te has preguntado cómo sobreviven tus equipos electrónicos a los picos de tensión, la respuesta puede estar en un pequeño componente llamado Varistor. En esta guía completa, exploraremos todo sobre estos protectores silenciosos que salvan nuestros dispositivos diariamente.

Un Varistor es una resistencia variable cuya resistencia depende de la tensión aplicada. El nombre es una amalgama lingüística de dos palabras: "Variable" y "Resistor". Estos componentes son verdaderos guardianes de los circuitos electrónicos, actuando como escudos contra sobretensiones que podrían dañar permanentemente equipos sensibles.

A diferencia de las resistencias convencionales, los varistores poseen características no óhmicas, siendo clasificados como resistencias no lineales. Esta característica única los hace indispensables en aplicaciones de protección.

🧐 Cómo Funcionan los Varistores: El Mecanismo de Protección

Para entender el funcionamiento de un varistor, imagina un guardia de tráfico inteligente que solo permite que los coches (corriente eléctrica) pasen cuando la velocidad (tensión) supera un límite seguro. De manera similar, un varistor permanece con alta resistencia (prácticamente aislante) bajo condiciones normales de operación, pero su resistencia cae drásticamente cuando la tensión alcanza un valor umbral específico.

A diferencia de los potenciómetros y reostatos, donde la resistencia cambia gradualmente de un valor mínimo a un máximo, la operación de un Varistor es más abrupta: cuando se somete a cierta voltaje (tensión umbral), la resistencia diferencial cae súbitamente a un valor muy bajo.

Los Varistores están compuestos por elementos semiconductores que proporcionan protección contra sobretensión en un circuito. Su funcionalidad es similar a la de un diodo Zener, permitiendo que tensiones por debajo del límite pasen inalteradas, pero desviando el exceso de energía cuando la tensión supera el valor seguro.

En la práctica, la función principal del Varistor es proteger contra tensiones transitorias excesivas en el circuito. Estas tensiones transitorias son generalmente causadas por descargas electrostáticas, sobretensiones de rayos o conmutación de cargas inductivas, fenómenos que detallaremos más adelante.

🔧 Tipos de Varistores: Conoce las Variaciones

Existen varios tipos de varistores, cada uno con características específicas para diferentes aplicaciones. Vamos a explorar los principales tipos:

1️⃣ Varistor de óxido de zinc (MOV)

El varistor de óxido de zinc es el tipo más común de varistor. Está compuesto por un material cerámico de óxido de zinc que posee alta resistencia en condiciones normales, pero su resistencia disminuye significativamente cuando una tensión de sobretensión es aplicada.

Los varistores de óxido de zinc son ampliamente utilizados para protección contra sobretensiones en equipos electrónicos y sistemas de energía. Su popularidad se debe al excelente costo-beneficio y eficiencia en la protección contra una amplia gama de sobretensiones.

2️⃣ Varistor de óxido de zinc con bismuto

Este es una variación del varistor de óxido de zinc tradicional que contiene una pequeña cantidad de bismuto en su composición. Esta adición tiene como objetivo mejorar las características eléctricas y de rendimiento del varistor.

El bismuto se añade al óxido de zinc para promover la formación de una capa de granos de límite de grano semiconductora más estable y uniforme, resultando en un varistor con características eléctricas mejoradas.

🔽 Las principales ventajas del varistor de óxido de zinc con adición de bismuto incluyen:

• Tensión de ruptura más baja: El bismuto reduce la tensión de ruptura del varistor, permitiendo que comience a conducir a una tensión más baja en comparación con el varistor de óxido de zinc convencional.
• Coeficiente de temperatura más estable: La adición de bismuto ayuda a estabilizar el coeficiente de temperatura del varistor, haciéndolo menos sensible a variaciones de temperatura.
• Mejor rendimiento en altas temperaturas: El varistor de óxido de zinc con adición de bismuto tiene una mejor resistencia térmica, permitiendo que mantenga su rendimiento incluso en condiciones de alta temperatura.

3️⃣ Varistor de óxido de metal (MO)

El varistor de óxido de metal utiliza un óxido de metal en lugar de óxido de zinc. Ofrece características de respuesta a sobretensiones similares a los varistores de óxido de zinc, pero con propiedades de respuesta más rápidas y mayor capacidad de absorción de energía.

Estos varistores se encuentran frecuentemente en aplicaciones de alta potencia y sistemas de protección contra sobretensiones industriales, donde la respuesta rápida es crucial.

4️⃣ Varistor de carburo de silicio (SiC)

El varistor de carburo de silicio se utiliza para aplicaciones de alta tensión y alta potencia. Posee una respuesta rápida a sobretensiones de tensión y es capaz de manejar altos niveles de energía.

Los varistores de carburo de silicio se encuentran frecuentemente en sistemas de energía eléctrica, transmisión de energía y otras aplicaciones de alta potencia, donde la capacidad de disipación de energía es un factor crítico.

💡 Cómo el Cambio en la Tensión Afecta la Resistencia del Varistor?

Esta característica está determinada por la composición semiconductora del varistor. Cuando se fabrica con material semiconductor, sus características intrínsecas hacen que el Varistor cambie su resistencia con altas tensiones operacionales.

Cuando la tensión aplicada en un Varistor es mayor que su valor nominal (tensión umbral), la resistencia efectiva del Varistor cae drásticamente y continúa disminuyendo a medida que la tensión aplicada aumenta.

La curva que representa la resistencia estática del Varistor en relación a su tensión aplicada se muestra en la Figura 2 a continuación:

🔌 Símbolo del Varistor

En los diagramas de circuitos, los varistores son representados por símbolos específicos que los diferencian de otros componentes. Conocer estos símbolos es esencial para identificar correctamente los varistores en esquemas eléctricos.

👉 Cómo Ayuda un Varistor a Suprimir Transientes de Tensión?

Para entender esto, primero identifiquemos las fuentes de tensión transitoria. El origen de estos transitorios en circuitos eléctricos es independiente de que operen a partir de una fuente CA o CC, pudiendo venir del propio circuito o de fuentes externas.

Estos transitorios resultan en un aumento de la voltaje a varios miles de voltios, lo que puede ser catastrófico para el circuito. Imagina un pequeño río que repentinamente se transforma en una inundación devastadora - así es como los transitorios de tensión pueden afectar un circuito electrónico delicado.

El varistor actúa como un sistema de contención inteligente, detectando el aumento anormal de tensión y proporcionando un camino de baja resistencia para desviar el exceso de energía, protegiendo así los componentes más sensibles del circuito.

📊 Características Tensión-Corriente (V-I)

Según la ley de Ohm, la curva de características de corriente-tensión de una resistencia es una línea recta, asumiendo que el valor de la resistencia se mantiene constante. En este caso, la corriente que fluye a través de una resistencia es directamente proporcional a la tensión aplicada.

Sin embargo, en el caso de un Varistor, la curva de características de corriente-tensión no es una línea recta. Esto se debe al comportamiento de resistencia inusual del Varistor, donde un pequeño cambio en la tensión aplicada puede causar un cambio significativo en la corriente que fluye a través de él.

La curva de características de tensión-corriente de un Varistor se muestra en la Figura 4 a continuación:

La curva característica de corriente-tensión de un Varistor muestra una relación lineal entre corriente y tensión cuando el Varistor no está conduciendo. Esto ocurre porque la corriente que fluye a través del Varistor permanecerá constante y el valor es muy bajo - es la llamada corriente de fuga, generalmente del orden de pocos miliamperios.

Esta pequeña corriente permanecerá constante hasta que la tensión aplicada a través del Varistor alcance su tensión nominal, también llamada tensión de sujeción. La tensión nominal de un Varistor es la tensión a través de él, medida con corriente CC especificada de 1mA.

Cuando la tensión aplicada del Varistor alcanza su tensión nominal, el comportamiento del Varistor cambia del estado de aislamiento al estado de conducción. La resistencia del Varistor se vuelve muy pequeña cuando la tensión transitoria aplicada es mayor o igual a la tensión nominal del Varistor.

Esto ocurre debido a un fenómeno llamado avalancha de ruptura en materiales semiconductores, una forma de multiplicación de corriente que permite grandes corrientes en los materiales que actuaban anteriormente como aislantes. Debido a esta situación, la pequeña corriente de fuga aumenta rápidamente.

Aunque la corriente que fluye a través del Varistor aumente, la tensión a través de él está limitada a un valor cercano a la tensión nominal. Esto significa que el Varistor actúa como un autorregulador para las tensiones transitorias aplicadas a través de él, permitiendo que más corriente fluya a través del Varistor.

Así, después de cruzar la tensión nominal del Varistor, la curva corriente-voltaje se convierte en una curva no lineal empinada. Debido a esta característica, un Varistor puede pasar corrientes variando extensivamente a lo largo de un intervalo muy estrecho de voltajes, cortando cualquier pico de voltaje.

🛡️ Aplicaciones Prácticas de los Varistores

Ahora que entendemos cómo funcionan los varistores, exploremos dónde se utilizan en el mundo real:

• Fuentes de alimentación: Protegen contra picos de tensión en la red eléctrica
• Protectores de sobretensión: En filtros de línea y estabilizadores
• Equipos de telecomunicaciones: Protegen líneas de teléfono y datos
• Sistemas industriales: En paneles de control y automatización
• Electrodomésticos: En televisores, computadoras y otros dispositivos sensibles
• Sistemas de energía: En transformadores y subestaciones

Para seleccionar el varistor correcto para tu aplicación, considera los siguientes factores:

1. Tensión nominal: Debe ser superior a la tensión máxima de operación normal del circuito
2. Capacidad de absorción de energía: Determina cuánta energía el varistor puede disipar durante una sobretensión
3. Corriente máxima de sobretensión: La corriente máxima que el varistor puede soportar sin daños
4. Tiempo de respuesta: Qué tan rápido responde el varistor a un pico de tensión
5. Tamaño físico: Debe ser compatible con el espacio disponible en el proyecto