Aplicação Otimizada de Varistores de Óxido Metálico (MOVs) em Sistemas de Motores

1. introdução

Motores CC escovados são amplamente utilizados em maquinário compacto, ferramentas elétricas, brinquedos e eletrônica automotiva devido à sua estrutura simples, baixo custo e controle flexível. Seu funcionamento é baseado na comutação por escovas e comutadores, o que permite rotação contínua através da troca periódica de corrente nos enrolamentos do braço giratório.
Apesar dos desafios, como desgaste das escovas e ruído elétrico, os motores escovados permanecem insubstituíveis em certas aplicações devido às suas excelentes características de controle de velocidade e confiabilidade estrutural comprovada.

2. Problemas de Interferência Eletromagnética e Estratégias de Proteção

Durante a operação, motores escovados geram arcos e surtos de tensão transitória durante a comutação das escovas, resultando em:

Surtos de alta energia que podem danificar componentes sensíveis do circuito.

EMI excessiva (Interferência Eletromagnética) que pode impedir a conformidade com normas de CEM (Compatibilidade Eletromagnética).

Embora filtros BDL (filtros passa-baixas compostos por sufocadores de modo comum e capacitores) sejam amplamente utilizados para suprimir ruídos, eles às vezes são insuficientes em ambientes complexos. Portanto, integrar Varistores de Óxido Metálico (MOVs) em paralelo no circuito é recomendado como uma solução confiável e eficiente para proteção contra surtos.

3. Princípio de Operação dos MOVs

Os MOVs são dispositivos de tipo limitador com características não lineares de tensão-corrente, compostos por microcristais de óxido de zinco sinterizados e meios isolantes de alta resistência.
Sob condições de tensão normal, os MOVs apresentam uma resistência extremamente alta e permanecem não condutores. Quando a tensão aplicada excede o limite, um caminho de baixa resistência é formado dentro do dispositivo, conduzindo rapidamente a corrente e limitando a sobre-tensão a um nível seguro, protegendo assim os componentes downstream de danos causados por surtos.

4. Comparação com Diodos TVS

Diodos TVS (Supressão de Tensão Transitória) utilizam junções PN de semicondutor e são ideais para proteção de dados de alta frequência e alta velocidade. Em contrapartida, MOVs, sendo compostos cerâmicos policristalinos, oferecem maior capacidade de absorção de energia e maior capacidade de manuseio de corrente, tornando-os adequados para linhas de energia AC e equipamentos de alta potência.
Além disso, devido à sua capacitância parasita relativamente grande, os MOVs podem substituir 2 a 5 capacitores de filtro discretos em alguns circuitos, contribuindo para um design geral mais otimizado.

5. Parâmetros Principais dos MOVs

Vrms / Vw: Voltagem contínua máxima de operação sem ativação.

IL: Corrente de fuga sob a tensão operacional máxima, geralmente ≤ 20 μA.

V1mA: Tensão de ruptura medida na corrente de 1 mA, próxima ao limiar de ativação do dispositivo.

Vc: Tensão máxima de clamping sob uma forma de onda de surto padrão 8/20 μs (tempo de subida de 8 μs, duração de meia-onda de 20 μs).

IPP: Capacidade de corrente de pico de surto sob condições de teste especificadas (forma de onda 8/20 μs, duas pulsões, intervalo de 2 minutos).

6. Aplicações com Embalagem SMD

Para motores CC pequenos e produtos eletrônicos compactos, são recomendados MOVs do tipo SMD. Esses componentes oferecem tamanho reduzido e fácil instalação, ideais para aplicações com requisitos de proteção contra surtos de curta duração e baixa amplitude.

7. Aplicações de Embalagem DIP

Para motores de alta potência e sistemas industriais, MOVs DIP (through-hole) são preferíveis. Esses dispositivos possuem fatores de forma maiores e um melhor manuseio de corrente, gerenciando eficazmente surtos de alta energia e garantindo a estabilidade do circuito de controle em ambientes adversos.

8. Diretrizes de Seleção

A seleção do MOV deve considerar a tensão de operação do motor, a energia de surto permitida e as restrições espaciais:

Dispositivos de baixa potência → MOVs da série SMD

Sistemas de média a alta potência → MOVs do tipo DIP

Combinar MOVs com filtros BDL também é recomendado para melhorar o desempenho geral de supressão de EMI.

9. Resultados dos Testes Comparativos

Sem proteção: Ruído significativo de EMI e impactos graves de surto observados.

Com a solução MOV + BDL: As tensões de surto são efetivamente limitadas, os níveis de EMI reduzidos e os resultados dos testes estáveis e conformes.

Para análise precisa, recomenda-se verificar as formas de onda do osciloscópio antes e depois dos eventos de surto, além das medições do espectro de EMI.

10. Vantagens e Limitações dos MOVs

Vantagens:

Custo-efetivo

Tecnologia madura e desempenho estável

Alta Capacidade de Corrente de Surto

Tempo de Resposta Rápido

Reduz a necessidade de componentes de filtragem adicionais

Limitações:

Tamanho relativamente maior, não ideal para designs altamente integrados

Alta capacitância parasita, inadequada para linhas de sinais de alta velocidade

Notas de Uso:

Opere dentro da faixa de temperatura especificada

Evite a limpeza com solventes polares fortes

Evite o estresse mecânico ou deformação

Fixe os componentes antes de dobrar os terminais, mantendo ≥ 2mm de distância da camada de isolamento

11. Conclusão

Em ambientes EMC complexos, selecionar componentes adequados de proteção contra surtos adaptados às necessidades específicas da aplicação é essencial para a estabilidade de longo prazo dos sistemas de controle de motores.
Os MOVs oferecem uma solução EMC custo-benefício para sistemas de motores com escova devido à sua excelente capacidade de manuseio de corrente, acessibilidade e processo de fabricação maduro. Esperamos que esta análise forneça insights valiosos e orientação prática para engenheiros no campo.