Basis van MOV Varistors: Een uitgebreide gids

‌ MOV (Metal Oxide Varistor) is een van de meest gebruikte apparaten voor overspanningsbescherming. Het kernmateriaal is een polycristallijn semiconductor, gebakken uit zinkoxide (ZnO) en toevoegingen. Hieronder volgt een systematische analyse vanuit het principe, parameters, selectie tot toepassing:

1. Kernkenmerken van MOV

1.1 Niet-lineaire Volt-Ampère karakteristiek

● Lage Spanningsgebied: Wanneer de spanning onder de drempel ligt, blijft de MOV in een hoog-verweerstandstoestand (lekstroom is in de microampère-bereik).

● Doorslaggebied: Zodra de spanning de drempel overschrijdt (nominaalspanning Vn), daalt de weerstand scherp, waardoor grote stromen kunnen ontladen en er spanningsschakeling wordt bereikt.

● Spanningsklemming (Vc): Doorgaans 1,5 tot 2 keer de nominale spanning, zodat het onder de spanningswaarde van de beschermden componenten blijft.

1.2 Materialen en Structuur

● Zinkoxidebasis: ZnO-deeltjes en grenzen vormen een "PN-junction-achtige" barrière, wat een snelle respons biedt (op nanosecond-niveau).

● Meerklagsstructuur: Het dichte keramische lichaam, gevormd door sinteren, verbindt stroomdragend vermogen met volume. Bijvoorbeeld, de 14D-reeks met een doorsnee van 14mm kan piekstroomstoten van tot 10kA verdragen.

2. Belangrijke Parameters en Selectie van MOV

2.1 Nominale Spanning (Vn)

Definitie: De spanning bij een stroom van 1mA DC (bijv., 470V).

2.2 Selectieformule:

● AC-systeem: Vn ≥ 1,2–1,5 × RMS voedingsspanning (bijv., 220V AC kiest 470V).

● DC-systeem: Vn ≥ 1,5 × maximale continue bedrijfsspanning.

● Misvatting: De nominale spanning is niet de "trigger-spanning"; de werkelijke inschakelspanning kan hoger zijn (verwijzing naar de V-I kromme).

2.3 Piekspanning (IP)

Definitie: De piekstroom voor een 8/20μs standaard overspanningsgolfvorm (bijv., 10kA).

Toepassingsniveau:

2.4 Energiebeheersing (Joule)

● Formule: E = Vc × IP × t (waarbij t de pulsgrootte is, typisch 20μs bij 8/20μs).

● Voorbeeld: Met Vc = 800V en IP = 10kA is de energie 160J. Zorg ervoor dat de genummerde energie van de MOV de werkelijke overspanningsenergie overtreft.

2.5 Foutmodi en levensduur

● Verouderingstoren: Na meerdere stroomstoten neemt de lekstroom toe, en uiteindelijk kan de MOV kortsluiten.

● Veiligheidsontwerp: Gebruik temperatuurfusen (TF) of MOVs met thermische tripmechanismen (bijv., TNR-serie) om branden door kortsluitingen te voorkomen.

3. Overwegingen bij het ontwerp van MOV-toepassingen

3.1 Schakeling Lay-out

● Nabijheidsmontage: Plaats MOVs dicht bij de beschermd einde (bijv., stroominvoer) om overstroomwegen te verkorten.

● Lagingeleiding met lage inductie: Vermijd lange sporen die parasitaire inductie toevoegen, wat residu spanning kan verhogen.

● Parallel decoupleren: Wanneer gebruikt met een gasontladingbuis (GDT), is een serie weerstand of spoel vereist om te voorkomen dat de GDT de stroom blijft doorlaten en de MOV doet oververhitten.

3.2 Meervoudige Beschermingsontwerp

● Niveau 1 Bescherming (Lekken): Gasontladingstriodes (GDT) of vonkoverschrijdingen, om bliksemgolven af te leiden.

● Niveau 2 Bescherming (Clampen): MOVs reduceren restspanning tot onder de 1kV.

● Niveau 3 Bescherming (Nauwkeurige Bescherming): TVS-diodes clampen de spanning verder naar een veilig niveau voor gevoelige chips (bijv., 24V).

● Typisch Ontwerp: GDT (Niveau 1) → MOV (Niveau 2) → TVS (Niveau 3).

3.3 Thermische Beheersing en Derating

● Hoogtemperatuurderating: De stroomdraagende capaciteit van MOVs neemt ongeveer 20% per 25°C toename van de omgevingstemperatuur af.

● Parallelle MOVs: Voor hoge-energieapplicaties meerdere MOVs parallel aansluiten met overeenkomstige parameters (bijv., Vn afwijking ≤5%).

4. Typische Toepassingsscenario's en Modelaanbevelingen

4.1 Huishoudelijke apparaten (220V AC)

● Eise: Overspanningsonderdrukking voor netoverspanningen (bijv., start/stop van een airco).

● Selectie: 14D471K (Vn = 470V, IP = 6,5kA), SMD optie: S14K275.

4.2 Fotovoltaïsche omvormers (DC 1000V)

● Vereiste: Bliksemscherming aan de kant van het fotovoltaïsche paneel, houdt hoge spanningen uit.

● Selectie: 34D102K (Vn = 1000V, IP = 40kA).

4.3 Automotieve elektronica (12V/24V systemen)

● Vereiste: Overspanningsdruk voor ladestoot tot 60V.

● Selectie: SMD type V14H360 (Vn = 36V, IP = 200A).

5. Algemene Problemen en Oplossingen

5.1 Teveel Doorlatend Stroom in MOV

● Oorzaak: Veroudering of voortdurende overspanning, wat de korrelgrenzen verslechtert.

● Oplossing: Vervang MOVs regelmatig of gebruik TVS-diodes om spanningstress te delen.

5.2 Hoge Residuaspanning Schade aan Achterliggende Circuit

● Oorzaak: Verkeerde MOV-keuze (bijv., te hoge Vn) of onjuiste lay-out.

● Oplossing: Verminder Vn of voeg een TVS toe voor secundaire clampen.

5.3 MOV Frequent Fout

● Oorzaak: Onvoldoende piekstroomverwerking of te hoge overspanningsfrequentie.

● Oplossing: Verbeter de IP-klasse of implementeer meervoudige beschermingsstages om energie te delen.

6. Branchestandaarden en certificaten

● VeiligheidsCertificaten: UL1449 (Overspanningsbeschermingsapparaten), IEC 61000-4-5 (Overspanningstoetstest).

● Automotief Elektronica: AEC-Q200 (BetrouwbaarheidsCertificatie), prestaties in het temperatuur bereik van –40°C tot 150°C.

● Telecommunicatieapparatuur: GR-1089-CORE (Vereisten voor bliksemscherming en ESD-beveiliging).

● Samenvatting: MOV is geworden tot een kernapparaat voor overspanningsbeveiliging vanwege zijn hoge kosteneffectiviteit en grote stroomcapaciteit, maar moet nauwkeurig worden geselecteerd volgens het toepassingsscenario en in combinatie met meerniveau-beveiliging en warmte-dissipatieontwerp om betrouwbare bescherming te bereiken. In de praktijk wordt aanbevolen de effectiviteit van de oplossing te valideren door middel van overslagtesten (zoals 8/20μs, 10/700μs).