imported>Д.Ильин: /* Strom-Spannungs-Kennlinie */

2025-04-19T06:55:58Z

Strom-Spannungs-Kennlinie

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Ein '''Varistor''' ist ein [[elektrisches Bauelement]], das sich durch einen von der [[Elektrische Spannung|elektrischen Spannung]] abhängigen [[Elektrischer Widerstand|Widerstand]] auszeichnet. Oberhalb einer bestimmten Schwellenspannung, die typisch für den jeweiligen Varistor ist, wird der [[Differentieller Widerstand|differentielle Widerstand]] abrupt kleiner. Die Polarität von Spannung und [[Stromstärke]] spielt keine Rolle; ein Gleichrichtereffekt wie bei einer [[Diode]] tritt nicht auf. Die Bezeichnung Varistor ist ein aus den englischen Begriffen „{{lang|en|'''var'''iable res'''istor'''}}“ zusammengesetztes [[Kofferwort]]. Ein Varistor wird auch als ''VDR'' bezeichnet, für {{lang|en|''Voltage Dependent Resistor''}}, also '''spannungsabhängiger Widerstand'''. Für [[Metalloxid]]-Varistoren ist die Abkürzung MOV üblich.

Die Hauptanwendung eines Varistors ist der [[Überspannungsschutz]], wozu er parallel zum zu schützenden Bauelement geschaltet wird.<ref name="Bo">Erwin Böhmer, Dietmar Ehrhardt, Wolfgang Oberschelp: ''Elemente der angewandten Elektronik: Kompendium für Ausbildung und Beruf.'' Vieweg+Teubner, 16. Aufl., S. 22</ref><ref>Michael Reisch: ''Elektronische Bauelemente: Funktion, Grundschaltungen, Modellierung mit SPICE.'' Springer, 1998, S. 87</ref>
[[Datei:Varistor Symbol.svg|mini|hochkant=0.6|[[Schaltzeichen]]]]

== Aufbau ==
Varistoren werden aus [[Siliziumkarbid]] (SiC) oder aus [[Zinkoxid]] (ZnO) – zusammen mit anderen Metalloxiden, wie [[Bismut(III)-oxid|Bismutoxid]], [[Chrom(II)-oxid|Chromoxid]] oder [[Mangan(II,III)-oxid|Manganoxid]] als Pulver in Tablettenform gepresst und [[Sintern|gesintert]]. Auf zwei Seiten wird der Rohling mit [[Silber]] oder [[Aluminium]] kontaktiert und mit Anschlüssen versehen. Die [[Strom-Spannungs-Kennlinie]] von Siliziumkarbid ist abgerundeter als die der 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 Schwellenspannung variiert werden: Je dicker die Varistorscheibe ist, desto mehr Zinkoxidkörner sind in Reihe geschaltet und desto höher ist die Schwellenspannung.

== Strom-Spannungs-Kennlinie ==
[[Datei:Typische Varistorkennlinien.svg|mini|Typische Varistor-Kennlinien]]
Die Kennlinie wird in zwei Darstellungsarten angegeben:
* [[Linearität (Physik)|linear]] (siehe nebenstehend), worin Symmetrie und Schwellenspannung deutlich werden, oder
* [[Logarithmenpapier#Doppeltlogarithmisches Papier|doppelt logarithmisch]] (siehe Weblinks), worin charakteristische Einzelheiten deutlich werden.
Als ''Ansprechspannung'', ''Schwellenspannung'' oder ''Varistorspannung'' wird in den Datenblättern zumeist der [[Spannungsabfall]] <math>U_\mathrm V</math> bei einer Stromstärke von <math>I_\mathrm V =\text{1 mA}</math> angegeben.<ref name="R84">Michael Reisch: ''Elektronische Bauelemente: Funktion, Grundschaltungen, Modellierung mit SPICE.'' Springer, 1998, S. 84 f</ref> Diese Spannung liegt ziemlich am Anfang des Durchbruchbereichs, in dem das Schutzverhalten wirksam ist. Die Kennlinie im Durchbruchbereich wird approximiert durch
:<math>|I|=I_\mathrm V\cdot \left(\frac{|U|}{U_\mathrm V}\right)^\gamma\quad\text{oder}\quad
|U|=U_\mathrm V\cdot \left(\frac{|I|}{I_\mathrm V}\right)^\beta</math>
mit <math>U\cdot I\ge 0</math> und <math>\beta=1/\gamma</math>.

Der Exponent <math>\gamma</math> bestimmt die Kennliniensteigung. Für Zinkoxid-Varistoren liegt <math>\gamma</math> typisch im Bereich 30…70<ref name="R84" /> oder 25…50<ref>Klaus Ellmer, Andreas Klein, Bernd Rech: ''Transparent Conductive Zinc Oxide: Basics and Applications in Thin Film Solar Cells''. Springer, 2008, S. 54</ref>, für SiC-Varistoren im Bereich 3…7<ref>Herbert Tholl: ''Bauelemente der Halbleiterelektronik: Teil 2 Feldeffekt-Transistoren, Thyristoren und Optoelektronik''. Teubner, 1978, S. 282</ref> oder 5…7<ref>Waldemar Münch: ''Elektrische und magnetische Eigenschaften der Materie''. Springer/Teubner, 1987, S. 162</ref>.

Unterhalb des Durchbruchbereiches geht die Kennlinie über in einen Leckstrombereich mit Stromstärken typisch < 1 μA. Dort wird der Varistor betrieben, solange er nicht schützend eingreift. Oberhalb des Durchbruchbereiches überlagert sich ein ohmscher Anteil. In diesem Hochstrombereich jenseits eines im Datenblatt angegebenen Stromstoßes darf ein Varistor nur einmalig betrieben werden.

Im Dauerbetrieb müssen eine Gleichspannung sowie der Scheitelwert einer Wechselspannung unterhalb von <math>U_\mathrm V</math> bleiben.<ref name="Bo" /><ref>{{Internetquelle |url=https://www.tme.eu/de/Document/f2124da2457391f1f8323c9e534949a5/SIOV_Leaded_StandarD.pdf |titel=Datenblatt Scheibenvaristor |zugriff=2018-07-15 |format=PDF}}</ref><ref>{{Internetquelle |url=https://bourns.com/docs/product-datasheets/dv_series.pdf?sfvrsn=fced46f6_4 |titel=Datenblatt SMD-Baustein |zugriff=2021-02-10 |format=PDF}}</ref><ref>{{Internetquelle |url=https://www.mouser.de/datasheet/2/240/Littelfuse_Varistor_DA_DB_Datasheet.pdf-1317227.pdf |titel=Datenblatt Industrietyp |zugriff=2018-07-15 |format=PDF}}</ref> Dazu gibt es einigermaßen fein gestuft eine Vielzahl von Spannungswerten über mehrere Zehnerpotenzen mit einer [[Exemplarstreuung]] vielfach von 10 %.

== Bauformen ==
[[Datei:Varistoren.jpg|mini|Verschiedene Varistoren für die [[Leiterplatte]]nmontage]]
Folgende Bauformen kommen am häufigsten zum Einsatz:
* in Scheibenform mit Anschlussdrähten
* als [[Surface-mounted device]] (oberflächenmontiertes Bauelement)
* an [[Schaltschütz]]e angeklippst
Beim Einsatz in elektronischen Schaltungen wird die Baugröße vorzugsweise bestimmt
* im kontinuierlichen Betrieb durch die als [[Stromwärmegesetz|Wärmestrom]] abzugebende [[elektrische Leistung]]
* bei einzelnen Störspitzen durch die kurzzeitig zu speichernde Energie

== Verhalten ==
Das Verhalten eines Varistors im Durchbruchbereich bei <math>U,I>0</math> soll an einem Beispiel <math>U_\mathrm V =\text{30 V}</math>, <math>I_\mathrm V =\text{1 mA}</math>, <math>\gamma=40</math> erläutert werden.
;Spannung – Stromstärke
Bei einer um 10 % größeren Spannung ist die Stromstärke um den Faktor <math>(1+10\,\%)^\gamma=1{,}1^{40} \approx 45</math> größer.

Bei einer um 10 % größeren Stromstärke ist die Spannung um den Faktor <math>(1+10\,\%)^\beta</math> oder additiv um 2,4 ‰ größer.

Bei einer um den Faktor 1000 größeren Stromstärke ist die Spannung um den Faktor <math>1000^{1/40} \approx 1{,}19</math> oder additiv um 19 % größer.

;Großsignalwiderstand
Dieser ist der Widerstand in Blick auf die gesamte Spannung und Stromstärke.

Bei 1 mA: <math>\quad R(\text{1 mA}) =\left.\frac UI\right|_\text{1 mA} =\frac{U_\mathrm V}{I_\mathrm V}=\text{30 k}\Omega</math>

Bei 1 A: <math>\qquad R(\text{1 A}) =\frac{1{,}19\;{U_\mathrm V}}{1000\;I_\mathrm V} \approx 36\;\Omega</math>

Damit ist der Großsignalwiderstand bei 1 A etwa um den Faktor <math>\frac1{840}</math>, also fast drei Zehnerpotenzen kleiner als bei 1 mA.

;Kleinsignalwiderstand
Dieser ist der Widerstand bei kleinen Änderungen von Spannung und Stromstärke und gleicht dem differentiellen Widerstand <math>r=\frac{\mathrm dU}{\mathrm dI}</math>.

Er ergibt sich aus
:<math>\frac{\mathrm dU}{\mathrm dI} =U_\mathrm V\cdot \beta\cdot \left(\frac I{I_\mathrm V}\right)^{\beta-1} \cdot\frac 1{I_\mathrm V} =\beta\;U_\mathrm V\; \left(\frac I{I_\mathrm V}\right)^\beta \cdot\frac{I_\mathrm V}I\;\frac 1{I_\mathrm V}=\beta\;\frac UI</math>
Damit ist der Kleinsignalwiderstand <math>r=\frac1\gamma\;\frac UI</math> bei jeder Stromstärke im Durchbruchbereich um den Faktor <math>\frac1{40}</math> kleiner als der Großsignalwiderstand.

== Anwendungsgebiete ==
[[Datei:Überspannungschutz für die Verteilerinstallation auf der Hutschiene.jpg|mini|Überspannungschutz für die Verteilerinstallation auf der Hutschiene]]
Varistoren eignen sich zum Schutz vor [[Überspannung (Elektrotechnik)|Überspannungen]]. Im Normalbetrieb ist ihr Widerstand sehr groß, während bei Überspannung der Widerstand fast verzögerungsfrei sehr klein wird und [[Elektrische Ladung|Ladung]] ableitet. Sie werden sowohl zum Schutz empfindlicher elektronischer Schaltungen als auch in der Energietechnik eingesetzt. Varistoren haben Ansprechzeiten von unter einer Nanosekunde und können sehr schnell kurzzeitige Überspannungen begrenzen, ohne zerstört zu werden. Bei längerer Dauer wird der Varistor überhitzt, weil die absorbierbare Energie von der Gesamtmasse abhängt.
[[Datei:Surge Arresters.jpg|mini|Hochspannungsvaristoren wie sie in [[Schaltanlage]]n verwendet werden]]

Ein Nachteil von ZnO-Varistoren ist, dass sie durch mehrere kleinere Überspannungen „altern“, das heißt ihre Schwellenspannung wird mit der Zeit niedriger und ihr Leckstrom erhöht sich. Insbesondere endet der Schutz bereits nach einmaliger Belastung im Hochstrombereich. Deswegen sollte man sie immer mit einer Sicherung betreiben, um z. B. Brände zu vermeiden. SiC-Varistoren zeigten diese Art der Alterung nicht. Überspannungsschutzgeräte können je nach Ausstattung den Betriebszustand überprüfen und optisch (in nebenstehendem Bild durch die Farbe im rautenförmigen Fenster) oder durch ein elektrisches Signal (im Bild durch einen Hilfskontakt hinter den grünen Klemmen) melden, dass der Varistor auszutauschen ist.<ref>{{Internetquelle |url=http://search-ext.abb.com/library/Download.aspx?DocumentID=2CDC001003C0116&LanguageCode=de&DocumentPartId=K4&Action=Launch |titel=Katalog Überspannungsableiter, S. 3 |zugriff=2018-07-18}}</ref>

Alternativ zu Varistoren werden bei Schutzschaltungen auch [[Suppressordiode]]n 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]] und [[Funkenstrecke]]n 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 in [[Lichterkette (Beleuchtung)|Lichterketten]] benutzt.

== Weblinks ==
{{Commonscat|Varistors}}
{{Wiktionary}}
* [https://www.vishay.com/docs/29079/varintro.pdf Technische Einführung] PDF-Dokument. Abgerufen am 15. Juli 2018.
* [http://www.controllersandpcs.de/lehrarchiv/pdfs/elektronik/pass01_05x.pdf Spannungsabhängige Widerstände] PDF-Dokument (367 KB)

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Widerstand]]
[[Kategorie:Leistungselektronik]]
[[Kategorie:Elektromagnetische Entstörung]]

Varistor - Versionsgeschichte

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