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1. 바리스터 선택 개요
바리스터 선택은 전기 및 전자 시스템에서 매우 중요한 결정입니다.
바리스터는 전압이 급격하게 상승하거나 변화할 때 전기 회로를 보호하는 역할을 합니다.
이러한 변동은 장비나 전기 회로에 치명적인 손상을 초래할 수 있으며, 바리스터는 이러한 위험을 줄이고 시스템을 안전하게 유지하는 데 필수적입니다.
바리스터 선택할 때 고려해야 할 여러 요소가 있습니다.
먼저, 바리스터의 전압 등급과 전류 등급을 이해해야 합니다.
전압 등급은 바리스터가 수용할 수 있는 최대 전압을 나타내며, 전류 등급은 특정 전압에서 바리스터가 수용할 수 있는 최대 전류를 나타냅니다.
이러한 등급은 시스템에서 예상되는 전압 및 전류의 범위에 따라 선택되어야 합니다.
또한, 응용 분야에 따라 적합한 종류의 바리스터 선택해야 합니다.
예를 들어, 특정 장비나 시스템에서 발생할 수 있는 전압 변동의 크기 및 빈도에 따라 바리스터의 응답 속도와 반응 특성이 중요합니다.
바리스터 선택 시 성능 또한 고려해야 합니다.
이는 바리스터가 전압 변동에 얼마나 빠르게 반응하고, 얼마나 효과적으로 회로를 보호하는지를 나타냅니다.
이러한 성능은 바리스터의 클래식을 결정하는 요인 중 하나입니다.
마지막으로, 바리스터 선택 시 제조사 및 브랜드를 신중하게 선택해야 합니다.
신뢰할 수 있는 제조사로부터 고품질의 바리스터를 선택하는 것이 중요합니다.
바리스터 선택은 시스템의 안전성과 신뢰성을 보장하기 위해 매우 중요합니다.
따라서 이러한 요소들을 신중하게 고려하여 적절한 바리스터를 선택하는 것이 필요합니다.
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2. 바리스터(varistor)의 저항
바리스터 선택과 관련하여, 바리스터의 저항은 일반적으로 적용된 전압에 따라 변화합니다.
바리스터는 전압이 증가함에 따라 비선형 저항 특성을 나타내며, 전기적으로 안정화되고 저항이 급격하게 변화합니다.
이러한 특성은 바리스터의 주요 기능 중 하나인 과전압 보호에 영향을 미칩니다.
바리스터는 전압 의존 저항기(voltage-dependent resistor)로 작동하는데, 이것은 주어진 전압에 따라 저항이 변화한다는 것을 의미합니다.
일반적으로 바리스터는 특정 전압 이하에서는 높은 저항을 유지하다가, 해당 전압을 초과하면 저항이 급격히 감소합니다.
이 특성은 바리스터가 회로에서 과전압을 감지하고 제어하는 데 사용됩니다.
일정한 전압 수준 이하에서는 바리스터가 회로에 거의 영향을 미치지 않지만, 과전압이 발생하면 바리스터의 저항이 급격히 감소하여 회로로부터 과전압을 흡수하고 회로의 안전을 보호합니다.
바리스터 선택과 관련하여, 이러한 동작 원리는 바리스터가 다양한 전압 변동이 발생할 수 있는 상황에서 사용되는 이유 중 하나입니다.
바리스터는 전원 공급 장치, 전선 및 케이블, 전기 장비 등 다양한 회로에서 과전압을 방지하여 시스템의 안전성을 향상시킵니다.
3. 바리스터(varistor) 동작 원리
바리스터는 두 가지 상황에서 다른 방식으로 동작합니다.
3-1) 회로 구동에 적합한 정격 전압이 인가되는 경우
바리스터가 회로 구동에 적합한 정격 전압이 인가되는 경우, 바리스터는 일종의 “휴면 상태”에 있습니다.
이는 바리스터가 회로에서 주로 비활성 상태로 작동하며, 회로에 영향을 미치지 않는 것을 의미합니다.
바리스터는 이러한 상태에서 고 저항을 유지하고, 전류가 흐르지 않거나 매우 낮은 수준으로 유지됩니다.
이러한 정격 전압은 바리스터가 일반적인 조건에서 안정적으로 작동하도록 설계된 전압 수준을 나타냅니다.
회로에 정격 전압을 가하면 바리스터는 전류를 통제하지 않고, 회로에서 주로 통과하지 않습니다.
이러한 상태에서 바리스터는 회로에서의 안정성을 유지하고, 회로에 연결된 다른 부품이나 장치에 영향을 미치지 않습니다.
바리스터 선택과 관련하여, 정격 전압 이하에서 바리스터는 회로에서 주로 휴면 상태로 작동하여, 전원 공급이 일반적인 범위 내에서 유지됩니다.
따라서 바리스터는 정상적인 운영 조건에서는 회로의 안정성을 보장하는 데에 기여하지만, 긴급한 상황에서는 바리스터가 회로를 보호하는 역할을 수행합니다.
3-2) ESD 등의 순간 과전압이 인가되는 경우
ESD(Electrostatic Discharge) 등의 순간 과전압이 인가되는 경우는 전기적으로 민감한 장치나 회로에 손상을 줄 수 있는 잠재적인 위험 상황입니다.
일반적으로 이러한 순간 과전압은 정격 전압을 초과하여 발생하며, 정전기 방전 또는 다른 외부 원인에 의해 발생할 수 있습니다.
바리스터는 이러한 순간 과전압이 발생하는 경우에 주로 사용됩니다.
순간 과전압이 발생하면 바리스터의 저항이 급격하게 감소하여 전류를 흘려 회로를 보호합니다.
이러한 과정에서 바리스터는 회로를 감지하고 순간적인 과전압을 흡수하여 회로에 연결된 다른 부품이나 장치를 보호합니다.
ESD 등의 순간 과전압은 전압이 갑자기 높아지는 현상을 나타내며, 이러한 과전압은 전자 기기나 반도체 장치에 손상을 줄 수 있습니다.
바리스터는 이러한 위험 상황에서 회로를 보호하고, 과전압이 발생했을 때 회로에 연결된 다른 부품이나 장치에 영향을 최소화합니다.
따라서 바리스터 선택과 관련하여, 바리스터는 순간적인 과전압이 발생하는 경우에 회로를 보호하고 안정성을 유지하는 데에 중요한 역할을 합니다.
이러한 바리스터의 동작 원리는 회로를 안전하게 운영하고 전기 장치의 수명을 연장하는 데 큰 기여를 합니다.
4. 바리스터(varistor)의 I-V 곡선
바리스터는 양방향으로 작동하는 전압-전류 특성을 가지고 있습니다.
이는 바리스터가 어느 방향으로든 전류를 흘려보낼 수 있다는 것을 의미합니다.
바리스터가 비전도 상태일 때, 즉 전류가 낮고 일정한 경우에는 I-V 곡선이 선형적으로 보입니다.
이는 바리스터가 고정된 저항으로 동자작하여 전류가 일정하고 낮은 수준으로 유지됩니다.
하지만 바리스터를 통과하는 전압이 특정 등급 전압에 도달하면, 바리스터의 저항이 급격히 감소합니다.
바리스터는 일정한 전압 이하에서는 높은 저항을 유지하다가, 해당 전압을 초과하면 저항이 급격히 감소합니다.
이것은 바리스터가 과전압 상황에서 회로를 보호하기 위해 전압이 증가함에 따라 전류를 즉시 증가시키는 특성을 나타냅니다.
V-I 특성 그래프를 통해 바리스터의 동작 범위와 과전압에 대한 반응을 시각적으로 이해할 수 있습니다.
그래프의 x축은 전압이고, y축은 전류를 나타내며, 일반적으로 로그 스케일로 표시됩니다.
이 그래프는 바리스터가 특정 전압 레벨에서 어떤 저항 값을 가지는지를 보여줍니다.
등급 전압은 바리스터에 특정 DC 전류(보통 1mA)를 통과시킬 때의 전압을 의미합니다.
이 때 바리스터는 저항이 급격히 감소하며 전류를 통과시킵니다.
이러한 변화는 바리스터가 전류의 급증에 의해 발생하는 반도체 재료의 전자사태(Avalanche Effect) 효과에 의해 일어납니다.
이 과정에서 바리스터는 저항이 매우 작아져 전도체로 전환됩니다.
바리스터 선택과 관련하여, 바리스터는 전압 스파이크를 제한하고 전압을 일정 수준으로 유지하여 회로를 보호합니다.
이를 통해 전압 스파이크로부터 전자 장비를 보호하고 안정성을 유지할 수 있습니다.
5. 바리스터(varistor)의 커패시터 값
바리스터의 두 단자 간 주요 도체 영역은 이산체(Discrete)와 유사한 동작을 하기 때문에, 클램핑 전압 아래에서 바리스터는 저항 대신 커패시터처럼 동작합니다.
바리스터는 이렇게 작동함으로써 전기 회로에서 특정 전압을 클램핑하고 보호하는 역할을 합니다.
모든 반도체 바리스터는 바리스터의 면적에 직접적으로 의존하며, 두께와는 반비례하는 커패시턴스 값을 가집니다.
바리스터는 DC 회로와 AC 회로에서 서로 다른 방식으로 작동합니다.
DC 회로에서는 바리스터의 커패시턴스는 적용된 전압이 클램핑 전압 수준을 초과하지 않는 한 일정하게 유지됩니다.
그러나 최대 등급의 연속 DC 전압에 근접할 때, 커패시턴스는 급격하게 감소합니다.
AC 회로에서는 주파수가 바리스터의 커패시턴스에 영향을 미칩니다.
AC 회로에서 바리스터가 비전도성 누설 영역에서 작동할 때, 바리스터의 커패시턴스는 장치의 본체 저항에 영향을 줄 수 있습니다.
바리스터는 전기 장치를 과전압으로부터 보호하기 위해 병렬로 연결되어 사용되므로, 주파수가 증가함에 따라 누설 저항은 급격히 감소합니다.
주파수와 거의 선형적인 관계를 갖는 이러한 변화로 인해, 바리스터의 교류 반응 XC는 일반적인 커패시터와 유사하게 1/(2πƒC)로 계산될 수 있습니다.
그러므로 주파수가 증가함에 따라 누설 전류도 증가합니다.
이러한 특성을 갖는 바리스터는 실리콘 반도체 뿐만 아니라 금속 산화물 바리스터로도 개발되어, 실리콘 카바이드 바리스터와 관련된 일부 한계를 극복하기 위해 널리 사용되고 있습니다.
6. Metal Oxide Varistor(MOV)
6-1) MOV란?
반도체 기반 바리스터인 실리콘 카바이드 바리스터와 같은 바리스터의 한계를 극복하기 위해, 금속 산화물 바리스터(Metal Oxide Varistor, MOV)가 개발되었습니다.
MOV는 전압에 의존하는 저항으로, 비선형 특성을 가지며 순간 과전압 서지에 대한 효과적인 보호 기능을 제공합니다.
금속 산화물 바리스터에서는 저항 재료로 대부분 아연 산화물 입자가 압축된 세라믹 덩어리로 사용됩니다.
일반적으로 이 혼합물은 아연 산화물 입자의 90%와 코발트, 비스무트, 망가니즈와 같은 다른 금속 산화물의 10%로 구성됩니다.
혼합물은 두 개의 전극(금속 판) 사이에 위치하며, 채움 물질은 아연 산화물 입자를 고정시켜주는 바인딩 요소 역할을 합니다. 금속 산화물 바리스터의 연결 리드로는 방사형 리드가 사용됩니다.
금속 산화물 바리스터는 다양한 장치들을 순간 과전압 서지로부터 보호하기 위한 전압 클램핑 장치로 널리 사용됩니다.
금속 산화물이 포함되어 있기 때문에, 금속 산화물 바리스터는 짧은 전압 이상의 흡수 능력과 고에너지 처리 능력을 가지고 있습니다.
금속 산화물 바리스터의 동작은 실리콘 카바이드 바리스터와 매우 유사합니다.
금속 산화물 바리스터는 정격 전압에서 전류를 도전하며, 적용된 전압이 임계값 아래로 떨어지면 도전이 중단됩니다.
실리콘 카바이드 바리스터와 금속 산화물 바리스터의 주요 차이점은 누설 전류의 양입니다.
금속 산화물 바리스터는 정상 작동 조건에서 매우 낮은 누설 전류를 보입니다.
이는 금속 산화물 바리스터에서 인접한 아연 입자 간에 다이오드 접합이 형성되기 때문입니다.
따라서 금속 산화물 바리스터는 병렬로 연결된 많은 다이오드의 집합으로 볼 수 있습니다.
결과적으로 전극 간에 약간의 전압이 가해져도, 다이오드 접합을 통해 역방향 누설 전류가 매우 적습니다.
적용된 전압이 증가하여 클램핑 전압에 도달하면, 다이오드 접합은 전자사태 붕괴 및 전자 터널링으로 인해 파괴되고, 거대한 전류가 흐르게 됩니다.
금속 산화물 바리스터는 고도의 비선형 전류-전압 특성을 보여줍니다.
6-2) MOV 구조
특정 응용 프로그램에 적합한 Metal Oxide Varistor (MOV 또는 금속 산화물 바리스터)를 선택하는 것은 해당 응용 프로그램의 요구 사항과 전원 공급에 관한 정보를 고려해야 합니다.
MOV는 일반적으로 전압 변동이나 전원 스파이크로부터 전자 장치나 회로를 보호하기 위해 사용됩니다.
전원 라인이나 상을 통해 전달되는 순간적 전압 변동을 방지하기 위해 적절한 MOV를 선택하는 것은 전원 공급 특성을 정확히 파악하는 것이 중요합니다.
하지만 일반적으로 전원 공급 특성을 알 수 없는 경우가 많아, MOV 선택은 어느 정도의 추정을 필요로 합니다.
MOV는 다양한 바리스터 전압으로 제공되며, 일반적으로 10V에서 1,000V 이상의 범위를 가집니다.
공급 전압을 고려하여 MOV를 선택하는 것이 바람직합니다.
예를 들어, 120V 공급 전압의 경우 약 130V rms의 최대 연속 rms 전압 등급을 선택해야 합니다.
MOV의 최대 서지 전류는 순간적 펄스 폭과 펄스 반복 횟수에 따라 다릅니다.
일반적으로 펄스 폭은 20에서 50μs로 가정됩니다.
펄스 전류 등급이 부족한 경우 MOV가 과열되고 손상될 수 있으므로 주의해야 합니다.
따라서 MOV를 신속하게 흡수된 펄스 에너지를 안전하게 분산하고 초기 상태로 되돌리기 위해 선택하는 것이 중요합니다. MOV를 올바르게 선택하면 전원 공급 장치와 전자 장치 또는 회로를 효과적으로 보호할 수 있습니다.
Metal Oxide Varistor (MOV)는 전압 서지 및 순간 전압 변동에 대한 효과적인 보호를 제공하기 위해 여러 구성 요소를 사용하여 제작됩니다.
- 아연 산화물 입자: MOV의 주요 저항 재료는 세라믹 질량으로 압축된 아연 산화물 입자입니다.
이러한 입자는 바리스터의 전기적 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. - 금속 전극: 두 개의 금속 전극은 주로 구리 또는 알루미늄과 같은 재료로 제작되며, 아연 산화물 세라믹 질량의 양쪽에 배치됩니다.
이러한 전극은 바리스터에 전기적 연결을 제공하고 장치를 통한 전류 흐름을 가능하게 합니다. - 와이어 연결 리드: 금속 전극은 와이어 연결 리드를 사용하여 외부 회로에 연결됩니다.
이러한 리드는 MOV를 전기 시스템에 통합하는 데 도움을 줍니다. - 입자간(Inter-granular) 세라믹 층: 아연 산화물 입자 사이에는 입자간 세라믹 층이 존재합니다.
이 층은 바리스터의 구조적 통합성을 향상시키고 전체적인 성능에 기여합니다. - 밀봉된 에폭시 shell: 내부 구성 요소를 수분 및 오염물질과 같은 환경 요소로부터 보호하기 위해 MOV는 밀봉된 에폭시 쉘 내에 캡슐화됩니다.
이 쉘은 또한 기계적 지지력과 절연을 제공합니다.
MOV의 구조는 고전압 변동에 노출될 때 저항 특성을 변경함으로써 과도한 전압 수준을 제한하여 효과적으로 기능하도록 설계되어 있습니다.
아연 산화물 입자와 금속 전극은 전기적으로 민감한 전자 부품으로부터 과도한 에너지를 방출하여 전류를 통과시킵니다.
밀봉된 에폭시 쉘은 다양한 운전 조건에서 MOV의 내구성과 신뢰성을 보장합니다.