Contrairement à un fusible ou à un disjoncteur qui protége l’installation contre les surcharges de courant, le varistor protège contre les surtensions par un mécanisme de limitation de tension, semblable à celui d’une diode Zener.

Le mot “Varistor” est une combinaison de VARI-able et STOR, utilisé pour décrire leur mode de fonctionnement dès leurs débuts de développement, ce qui peut être un peu trompeur car un varistor ne peut pas être ajusté manuellement comme un potentiomètre ou un rhéostat.

Un Varistor

Mais, contrairement à un résistor variable dont la valeur de résistance peut être ajustée manuellement entre ses valeurs minimales et maximales, le varistor change automatiquement sa valeur de résistance avec la variation de tension qui le traverse, ce qui en fait un résistor non linéaire dépendant de la tension, ou VDR en abrégé.

Aujourd’hui, le corps résistant d’un varistor est fabriqué à partir de matériaux semi-conducteurs, ce qui en fait un type de résistor semi-conducteur avec des caractéristiques de tension et de courant symétriques non-ohmiques adaptées aux applications en courant alternatif et en courant continu.

De nombreuses manières, le varistor ressemble en taille et en conception à un condensateur et est souvent confondu avec ce dernier. Cependant, un condensateur ne peut pas supprimer les surtensions de la même manière qu’un varistor. Lorsqu’une surtension élevée est appliquée à un circuit, les conséquences sont généralement catastrophiques pour ce dernier. C’est pourquoi le varistor joue un rôle crucial dans la protection des circuits électroniques délicats contre les pics de commutation et les transitoires de surtension.

Les surtensions transitoires proviennent de divers circuits et sources électriques, qu’ils fonctionnent sous alimentation AC ou DC, car elles sont souvent générées au sein même du circuit ou transmises à partir de sources externes. Les transitoires au sein d’un circuit peuvent rapidement augmenter la tension à plusieurs milliers de volts, et ce sont ces pics de tension qui doivent être évités d’apparaître dans les circuits et composants électroniques délicats.

Une des sources les plus courantes des transitoires de tension est l’effet L(di/dt) causé par la commutation d’enroulements inductifs, de courants de magnétisation de transformateurs, d’applications de commutation de moteurs DC et des surtensions dues à la mise en marche de circuits d’éclairage fluorescents ou d’autres surtensions d’alimentation.

Transitoires des Formes d’Ondes AC

Les varistors se connectent dans les circuits à travers une alimentation secteur, soit phase-neutre, phase-phase pour le fonctionnement AC, ou positif-négatif pour le fonctionnement DC et ont une tension nominale adaptée à leur application. Un varistor peut également être utilisé pour la stabilisation de la tension DC, notamment pour la protection des circuits électroniques contre les impulsions de surtension.

Résistance Statique

En fonctionnement normal, le varistor présente une résistance très élevée, ce qui indique une de ses caractéristiques, fonctionnant de manière similaire à une diode Zener en permettant le passage de tensions inférieures sans impact.

Cependant, lorsque la tension à travers le varistor (peu importe sa polarité) dépasse la valeur nominale du varistor, sa résistance effective diminue fortement avec l’augmentation de la tension. Nous savons par la loi d’Ohm que les caractéristiques courant-tension (I-V) d’un résistor fixe sont une droite tant que R reste constant. Ainsi, le courant est directement proportionnel à la différence de potentiel aux bornes du résistor.

Mais les courbes I-V d’un varistor ne forment pas une ligne droite, car un petit changement de tension entraîne un changement significatif de courant. Une courbe typique нормalisée des caractéristiques tension versus courant pour un varistor standard est donnée ci-dessous.

Courbe de Caractéristiques

Nous pouvons voir ci-dessus que le varistor possède des caractéristiques symétriques bidirectionnelles, c’est-à-dire qu’il fonctionne dans les deux directions (quadrants Ι et ΙΙΙ) d’une forme d’onde sinusoïdale, se comportant de manière similaire à deux diodes Zener connectées en inverse l’une de l’autre. Lorsqu’il n’est pas en conduction, la courbe I-V montre une relation linéaire puisque le courant à travers le varistor reste constant et faible, à seulement quelques microampères de courant de “fuite”. Ceci est dû à sa haute résistance agissant comme un circuit ouvert et reste constant jusqu’à ce que la tension à travers le varistor (peu importe sa polarité) atteigne une “tension nominale” particulière.

Cette tension nominale ou de limitation est la tension mesurée à travers le varistor pour un courant DC spécifié de 1mA. C’est-à-dire le niveau de tension DC appliqué entre ses bornes qui permet à un courant de 1mA de passer à travers le corps résistif du varistor, qui dépend également des matériaux utilisés dans sa construction. À ce niveau de tension, le varistor commence à passer d’un état isolant à un état conducteur.

Lorsque la tension transitoire à travers le varistor est égale ou supérieure à la valeur nominale, la résistance de l’appareil devient soudainement très faible, transformant le varistor en conducteur en raison de l’effet avalanche de son matériau semi-conducteur. Le petit courant de fuite à travers le varistor augmente rapidement, mais la tension qui le traverse est limitée à un niveau juste supérieur à la tension du varistor.

En d’autres termes, le varistor autorégule la tension transitoire qui le traverse en permettant un plus grand courant de circuler à travers lui. À cause de sa courbe I-V non linéaire, il peut faire passer des courants très variés sur une plage de tension étroite, en limitant tout pic de tension.

Valeurs de Capacitance des Varistors

Puisque la principale zone conductrice d’un varistor entre ses deux bornes agit comme un diélectrique, en dessous de sa tension de limitation, le varistor agit comme un condensateur plutôt qu’un résistor. Chaque varistor semi-conducteur a une valeur de capacitance qui dépend directement de son aire et varie inversement avec son épaisseur.

Lorsqu’il est utilisé dans des circuits DC, la capacitance du varistor reste plus ou moins constante tant que la tension appliquée ne dépasse pas le niveau de tension de limitation, puis chutant brusquement au niveau de sa tension continue maximum nominale.

Cependant, dans les circuits AC, cette capacitance peut affecter la résistance du corps de l’appareil dans la région de fuite non-conductrice de ses caractéristiques I-V. Comme ils sont généralement connectés en parallèle avec un dispositif électrique pour le protéger contre les surtensions, la résistance de fuite des varistors chute rapidement avec l’augmentation de la fréquence.

Cette relation est à peu près linéaire par rapport à la fréquence, et la résistance en parallèle résultante, sa réactance AC, X_C peut être calculée en utilisant 1/(2πƒC) comme pour un condensateur normal. Ensuite, à mesure que la fréquence augmente, son courant de fuite augmente aussi.

Mais en plus des varistors à base de semi-conducteurs en silicium, des varistors en oxyde métallique ont été développés pour surmonter certaines des limitations associées à leurs cousins en carbure de silicium.

Varistor en Oxyde Métallique

Le Varistor en Oxyde Métallique ou MOV pour abrégé, est un résistor dépendant de la tension dont le matériau de résistance est un oxyde métallique, principalement de l’oxyde de zinc (ZnO) pressé dans un matériau céramique. Les varistors en oxyde métallique sont constitués d’environ 90 % d’oxyde de zinc comme matériau de base céramique ainsi que d’autres matériaux de remplissage pour former des jonctions entre les grains d’oxyde de zinc.

Les varistors en oxyde métallique sont désormais le type de dispositif de limitation de tension le plus courant et sont disponibles pour une large gamme de tensions et de courants. L’utilisation d’un oxyde métallique dans leur construction signifie que les MOV sont extrêmement efficaces pour absorber les transitoires de tension à court terme et possèdent une capacité de gestion d’énergie élevée.

Comme avec le varistor normal, le varistor en oxyde métallique commence à conduire à une tension spécifique et cesse de conduire lorsque la tension tombe en dessous d’une tension seuil. Les principales différences entre un varistor en carbure de silicium (SiC) standard et un varistor de type MOV sont que le courant de fuite à travers le matériau d’oxyde de zinc des MOV est un très faible courant en conditions de fonctionnement normales, et leur rapidité d’opération lors de la limitation des transitoires est bien plus élevée.

Les MOV ont généralement des fils radiaux et un revêtement époxy extérieur dur, bleu ou noir, qui ressemble étroitement à celui des condensateurs céramiques en disque et peuvent être montés physiquement sur des cartes de circuits imprimés (PCB) de manière similaire. La structure d’un varistor en oxyde métallique typique est donnée comme :

Construction du MOV

Pour choisir le bon MOV pour une application particulière, il est souhaitable d’avoir quelques connaissances sur l’impédance source et la puissance d’impulsion possible des transitoires. Pour les transitoires dus aux lignes d’alimentation ou supportés par phase, le choix du bon MOV est un peu plus difficile car généralement les caractéristiques de l’alimentation sont inconnues. En général, le choix du MOV pour la protection électrique des circuits contre les transitoires et les pics d’alimentation est souvent peu plus qu’une estimation éclairée.

Cependant, les varistors en oxyde métallique sont disponibles dans une large gamme de tensions de varistor, allant d’environ 10 volts à plus de 1 000 volts AC ou DC, donc le choix peut être aidé par la connaissance de la tension d’alimentation. Par exemple, pour sélectionner un MOV ou tout varistor en silicium, pour une tension, sa tension RMS de fonctionnement continue maximale doit être juste au-dessus de la tension d’alimentation maximale attendue, disons 130 volts RMS pour une alimentation de 120 volts, et 260 volts RMS pour une alimentation de 230 volts.

La valeur maximale de courant de surtension que les varistors supporteront dépend de la largeur de l’impulsion transitoire et du nombre de répétitions d’impulsions. Des hypothèses peuvent être faites sur la largeur d’une impulsion transitoire qui est généralement de 20 à 50 microsecondes (μs). Si la cote de courant de pic d’impulsion est insuffisante, le varistor peut surchauffer et devenir endommagé. Ainsi, pour qu’un varistor fonctionne sans aucune défaillance ou dégradation, il doit être en mesure de dissiper rapidement l’énergie absorbée par l’impulsion transitoire et de revenir en toute sécurité à son état pré-impulsion.

Applications des Varistors

Les varistors présentent de nombreux avantages et peuvent être utilisés dans de nombreux types d’applications pour la suppression des transitoires portés par le réseau, des appareils domestiques et d’éclairage à l’équipement industriel sur des lignes d’alimentation AC ou DC. Les varistors peuvent être connectés directement aux alimentations secteur et aux commutateurs semi-conducteurs pour protéger les transistors, les MOSFET et les ponts thyristors.

Applications des Varistors

Résumé du Tutoriel

Dans ce tutoriel, nous avons vu que la fonction principale d’un Résistor Dépendant de la Tension, ou VDR, est de protéger les appareils électroniques et les circuits électriques contre les surtensions et les pics, tels que ceux générés par des transitoires de commutation inductifs.

En tant que tels, les varistors sont utilisés dans des circuits électroniques sensibles pour garantir que si la tension dépasse soudainement une valeur prédéterminée, le varistor deviendra effectivement un court-circuit pour protéger le circuit qu’il shunte d’une tension excessive, car ils peuvent supporter des courants de pointe de centaines d’ampères.

Les varistors sont un type de résistor avec une caractéristique courant-tension non linéaire et non ohmique et offrent un moyen fiable et économique de protéger contre les transitoires de surtension.

Ils y parviennent en agissant comme un dispositif de blocage à haute résistance à des tensions plus faibles et comme un bon dispositif de conduction à faible résistance à des tensions plus élevées. L’efficacité d’un varistor à protéger un circuit électrique ou électronique dépend du choix approprié du varistor en ce qui concerne la tension, le courant et la dissipation d’énergie.

Les Varistors en Oxyde Métallique, ou MOV, sont généralement constitués d’un petit matériau en disque d’oxyde de zinc métal. Ils sont disponibles dans de nombreuses valeurs pour des plages de tension spécifiques. La tension nominale d’un MOV, appelée “tension de varistor” est la tension à travers un varistor lorsqu’un courant de 1mA passe à travers l’appareil. Ce niveau de tension de varistor est essentiellement le point sur la courbe caractéristique I-V lorsque l’appareil commence à conduire. Les varistors en oxyde métallique peuvent également être connectés en série pour augmenter le niveau de tension de maintien.

Alors que les varistors en oxyde métallique sont largement utilisés dans de nombreux circuits électroniques à alimentation AC pour protéger contre les surtensions transitoires, il existe aussi d’autres types de dispositifs de suppression de tension à état solide, tels que les diodes, les diodes Zener et les suppresseurs qui peuvent tous être utilisés dans certaines applications de suppression de tension AC ou DC.