Metal Oxide Varistor

Schaltzeichen

Ein Varistor ist ein elektronisches Bauteil. Es handelt sich dabei um einen spannungsabhängigen Widerstand. Oberhalb einer bestimmten Schwellspannung, die typisch für den jeweiligen Varistor ist, wird der Widerstand abrupt kleiner. Die Kennlinie ist dabei symmetrisch zur Spannung, die Polarität spielt also keine Rolle. Varistor ist ein aus den englischen Begriffen „variable resistor“ zusammengesetztes Kofferwort. Varistoren werden auch als VDR bezeichnet. VDR steht für Voltage Dependent Resistor, also spannungsabhängiger Widerstand. Für Metalloxid-Varistoren ist die Abkürzung MOV üblich.

Aufbau

Varistoren werden heute meist auf der Basis von Zinkoxid (ZnO) hergestellt. Zusammen mit anderen Metalloxiden, wie Wismutoxid, Chromoxid oder Manganoxid, wird das Pulver in Tablettenform gepresst und gesintert. Auf zwei Seiten wird der Rohling mit Silber oder Aluminium kontaktiert und mit Anschlüssen versehen. Früher wurden Varistoren aus Siliziumkarbid (SiC) hergestellt. Diese Varistoren gelten heute als veraltet, da ihre Strom-Spannungs-Kennlinie oberhalb der Schwellspannung deutlich flacher verläuft als bei ZnO-Varistoren.

Funktionsweise

Der Zinkoxid-Varistor setzt sich aus vielen kleinen Zinkoxidkörnern mit unterschiedlicher Leitfähigkeit zusammen. Zwischen den Zinkoxidkörnern entstehen an den Berührungspunkten Sperrschichten. Durch eine angelegte Spannung entsteht ein elektrisches Feld, das die Sperrschichten teilweise abbaut. Je größer die angelegte Spannung ist, desto mehr Sperrschichten werden abgebaut und damit sinkt der Widerstand. Über die Dicke der Varistorscheiben kann die Schwellspannung variiert werden: Je dicker die Varistorscheibe ist, desto mehr Zinkoxidkörner sind in Reihe geschaltet und desto höher ist die Schwellspannung.

Strom-Spannungs-Kennlinie

Typische Varistor-Kennlinien

Die Strom-Spannungs-Kennlinie eines Varistors kann mit folgender Formel angenähert werden:

$I = \left( \frac{U}{U_\mathrm{1\,A}}\right)^n\cdot 1\,\mathrm A$

Hierbei bezeichnet $U_\mathrm{1\,A}$ die Spannung, bei der ein Strom von einem Ampere durch den Varistor fließt (nicht zu verwechseln mit der Schwellspannung). A ist das Einheitenzeichen für Ampere. Der Exponent n bestimmt die Kennliniensteigung. Für Zinkoxid-Varistoren ist n typischerweise größer als 20, für SiC-Varistoren ist n ca. 5.

Bauformen

Folgende Bauformen kommen am häufigsten zum Einsatz:

• in Scheibenform mit Anschlussdrähten
• als SMD-Baustein
• an Schaltschütze angeklippst

Anwendungsgebiete

Hochspannungsvaristor

Varistor in Scheibenform mit einer Schwellspannung von 385 Volt

Varistoren eignen sich zum Schutz vor Überspannungen. Im Normalbetrieb ist ihr Widerstand sehr groß, während bei Überspannung der Widerstand fast verzögerungsfrei sehr klein wird und Ladung ableitet. Sie werden sowohl zum Schutz empfindlicher elektronischer Schaltungen als auch in der Starkstromtechnik eingesetzt.

Varistoren haben Ansprechzeiten von unter einer Nanosekunde und können bei Überspannungen große Energien absorbieren, ohne zerstört zu werden. Ein Nachteil von ZnO-Varistoren ist, dass sie durch mehrere kleinere Überspannungen „altern“, das heißt ihre Schwellspannung wird mit der Zeit niedriger, bzw. ihr Leckstrom erhöht sich. SiC-Varistoren zeigten diese Art der Alterung nicht.

Alternativ zu Varistoren werden bei Schutzschaltungen auch Suppressordioden eingesetzt. Suppressordioden werden bei Überspannung allerdings schon durch geringe Energien zerstört, so dass sie hauptsächlich für kleinere Spannungen verwendet werden, wie sie zum Beispiel bei Signalleitungen auftreten. Andererseits altern Suppressordioden im Gegensatz zu Varistoren nicht. Bei Anwendungen, in denen hochfrequente Signale übertragen werden sollen, kann die gegenüber Suppressordioden erheblich höhere Kapazität von Varistoren eine unzulässige Dämpfung des Nutzsignals bewirken.

Darüber hinaus gibt es auch Gasableiter als Grobschutzelemente. Diese können bei Überspannungen sehr große Energien absorbieren, haben allerdings im Vergleich zu Varistoren eine längere Ansprechzeit von bis zu einigen Mikrosekunden. Deshalb werden sie auch häufig in Kombination mit Varistoren verwendet.

Varistoren werden auch als (Bedarfs-)Strombrücke für die Reihenschaltung von Glühlampen benutzt.

Weblinks

• Über Lineare/Nichtlineare Widerstände und Varistoren