바리스터(Varistor, 서지보호기)

정전기 방전 ESD(Electro Static Discharge)의 순간 과전압 또는 Surge 전류로부터 IC(Intergrated Circuit)같은 능동 소자를 보호하고 전자 기기의 파손을 방지하기 위해 사용되는 바리스터를 알아보자.

 

Varistor는 Variable(변하기쉬운)과 Resistor(저항기)의 합성어로 고전압이 걸리면 저항이 현저히 낮아지는 소자를 의미한다. 제너다이오드와 유사하나 바리스터는 좀 더 높은 전압에서 동작하며 양방향으로 동작한다.

대부분의 Varistor는 산화아연으로 만든 MOV(Metal Oxide Varistor)가 전기 전자회로에서 소용량부터 대용량에 이르기까지 transient를 억제회로에서 사용된다.

 

항복전압(Breakdown Voltage)까지는 높은 저항을 유지하나 Threshold(임계값)를 넘으면 급격히 임피던스가 저하되어 Surge 전류가 Grond 등 주어진 경로로 흐르게 된다. 따라서 병렬로 접속되어 있는 부하는 Surge로 부터 안전하게 보호된다. 

 

반응속도가 1ns(nano-second) 이하의 고속이며, 비교적 큰 Surge 에너지를 handling 하며, 전원용 대용량 서지방지기는 module 형태로 조합되어 Surge 내량을 증가 시킨다.

 

MOV를 선정할 때는 정격과 에너지 내량 및 Clamping 전압에 대하여 고려하여 효과적으로 보호할 수 있다. 그리고 정격전압 선정은 DC의 경우 1.3배, AC의 경우 1.7배 이상으로 선정한다.

 

회로 구동에 적합한 정격 전압이 인가되는 경우의 동작

- 전류는 능동 소자를 통하여 흐름. (Varistor는 500MΩ 이상의 절연체)

- 만일, 정격 전압의 회로에서도 바리스터 양단에 누설 전류가 기준치 이상이 흐른다면 소자 자체의 결합이 있는 것으로서, 회로의 전력 소모량은 급증.

 

 

ESD 등의 순간 과전압이 인간되는 경우

- 순간 과전압은 Varistor를 통하여 접지 부위로 배출. (Varistor는 능동 소자의 저항 보다 낮은 수 mΩ 이하로 저항 급감.)

- 본 회로를 구성한 경우에도 능동 소자가 파손된다면, 바리스터 사양 또는 위치 선정에 대한 재검토 필요.

- 반복 시험(기준 10회)후 바리스터 특성의 열화(열적 파괴 직전까지)가 있는 경우, ESD로부터 능동 소자를 보호할 수 있음.

- 바리스터 양단에 누설전류가 급증하여, 열 손실이 발생되며 전력 소모가 급증한다.

 

사용 예

- 전원 회로에 병렬로 설치.

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동작 전압[Working Voltage, VW]

- 보통 정격전압이라고 하며, 최대 연속적인 DC전압을 의미하며, 바리스터의 파괴 없이 항상 사용이 가능한 전압을 의미한다.

 

바리스터 전압[Breakdown Voltage, VB]

- DC 1mA를 인가할 때 소자 양단에 걸리는 전압.

- 외부 전압에 대해 소자가 절연체에서 도체로 변하여 동작하는 시작점. 

 

정전 용량[Capacitance, Cp]

- 주파수 1MHz 또는 1kHz, 0.5~1 Vrms에서 측정되는 정전용량

- Capacitor 규격을 인용하여 조건을 설정하였으나, 현재는 제조업체마다 상이

- 바리스터 주 조성인 "ZnO, 산화아연 - 유전체"에 기인되어 나타나는 현상

 

제한 전압[Clamping Voltage, VC]

- 특정 파형 [8us/20us]의 전류를 인가할 경우, 소자에 의해 제한되는 전압.

- Surge 전류에 대해 소자의 저항이 얼마나 빠르게 변화되어 전압이 낮아지는가를 의미.

- 회로의 내전압보다 소자의 제한 전압은 낮아야 한다.

- 제한 전압을 낮을수록 좋으며, 이 때문에 항상 최대 값으로 사양이 표시됨.

 

최대 서지 전류[Surge peak Current, IP]

- 특정 파형 [8us/20us]의 순간 과전류 또는 서지 전류에 대해 소자가 파괴되지 않고 정상적인 작동을 할 수 있을 정도의 허용 전류 값, 소자가 견딜 수 있는 최대 서지 전류를 의미.

- 소자는 규정된 최대 허용 서지 전류 값을 초과할 때 전기적으로 파괴되며, 더 이상 보호 기능의 역할을 하지 못함.

 

정전기 방전[Electro Static Discharge, ESD]

- ESD는 순간적으로 발생하는 과전압을 의미.(최대 Peak 발생 시간 : 0.7~1.0ns[서지 전류 파형과 비교시 약 1000배 빠르며 소멸 시간은 최대 60ns 이다.]

- ESD로부터 능동소자를 보호하기 위해서는, ESD의 최대 Peak 발생 시간 전에 이를 흡수하여 접지 부위로 배출하여야 함.

- 바리스터 소자에 있어, ESD의 흡수 능력은 소자의 원료 조성에서 큰 차이를 나타냄.

- ZnO-Bi2O3계 적용 바리스터 : ESD에 대한 반복 흡수 능력 저하 -> 누설 전류 급증[제품의 열화 발생]

- ZnO-Pr6O11계 적용 바리스터 : ESD에 대한 반복 흡수 능력 우수, 10,000회 이상.