バリスタ

バリスタ（別名電圧依存抵抗器（VDR））は、印加電圧に応じて電気抵抗が変化するサージ保護電子部品です。 ^[2]ダイオードと同様の非線形で非オームの電流-電圧特性を持っています。ただし、ダイオードとは異なり、流れる電流の両方向で同じ特性を持っています。伝統的に、バリスタは実際には、銅酸化物整流器やゲルマニウム酸化物整流器などの2つの整流器を逆並列構成で接続することによって構築されていました。低電圧ではバリスタの電気抵抗は高く、電圧が上昇するにつれて低下します。現代のバリスタは主に焼結セラミック金属酸化物材料に基づいており、これは微視的スケールでのみ方向性挙動を示します。このタイプは一般に金属酸化物バリスタ（MOV） として知られています。

バリスタは、最適な動作条件を提供するため、または過度の過渡電圧から保護するために、回路内の制御または補償要素として使用されます。保護デバイスとして使用する場合、バリスタはトリガーされると、過度の電圧によって生成された電流を敏感なコンポーネントから 遮断します。

バリスタという名前は、可変抵抗器を組み合わせた造語です。この用語は、非オーム可変抵抗器に対してのみ使用されます。ポテンショメータやレオスタットなどの可変抵抗器は、オーム特性を持っています。

バリスタは銅の上に酸化第一銅（Cu ₂ O）層をベースとした新しいタイプの整流器として開発され、1927年にLOグロンダールとPHガイガーの研究によって始まりました。^[3]

酸化銅バリスタは、印加電圧の極性と大きさに応じて抵抗が変化する。^[4]これは小さな銅の円盤で構成されており、その片側には酸化銅の層が形成されている。この配置により、半導体酸化物から銅側に流れる電流に対する抵抗は低くなるが、反対方向の電流に対する抵抗は高くなり、瞬間抵抗は印加電圧に応じて連続的に変化する。

1930年代には、最大寸法が1インチ未満で、耐用年数が明らかに無期限の小型の多重バリスタアセンブリが、電話伝送用の搬送電流システムの変調器と復調器としてかさばる電子管回路の代替として利用されるようになりました。^[4]

電話設備におけるバリスタのその他の用途としては、電圧スパイクやノイズから回路を保護すること、および回路を切り替えるときにユーザーの耳にポップノイズが入らないように受信機 (イヤピース) 要素のクリック音を抑制することなどがありました。これらのバリスタは、1952 年 6 月のWestern Electricタイプ 3B バリスタの写真 (下) に示すように、整流ディスクを偶数枚重ねてスタックし、端末端と中央を逆並列構成で接続して構築されました。

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  1952年に電話機のクリックサプレッサーとして使用するために製造されたウェスタンエレクトリック3Bバリスタ
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  電話のクリックサプレッサーとして使用されるバリスタの従来の構造の回路^[5]
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  従来のバリスタ回路図記号^{[6]は、現在では}ダイアックに使用されています。これは、電流が両方向に流れるダイオードのような動作を表します。
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  クリック抑制用の Western Electric タイプ 44A バリスタ。1958 年に製造された U1 電話受信機エレメントに搭載されています。

1949年のウェスタン・エレクトリック社製500型電話機は、バリスタを使用した動的ループ等化回路を導入した。この回路は、短い中央局ループ上の比較的高いレベルのループ電流を分流し、送信信号と受信信号のレベルを自動的に調整する。長いループでは、バリスタは比較的高い抵抗を維持し、信号に大きな変化はなかった。^[7]

別のタイプのバリスタは、1930年代初頭にROグリスデールによってシリコンカーバイド（SiC）から作られました。これは電話線を雷から守るために使用されました。 ^[8]

1970年代初頭、日本の研究者は、酸化亜鉛（ZnO）の半導体電子特性が、セラミック焼結プロセスにおける新しいタイプのバリスタとして有用であることを認識しました。これは、背中合わせのツェナーダイオードのペアと同様の電圧-電流関数を示しました。^{[9] [10]}このタイプのデバイスは、電力サージやその他の破壊的な電気的障害から回路を保護するための好ましい方法となり、一般に金属酸化物バリスタ（MOV）として知られるようになりました。この材料の大部分に含まれるZnO粒子の配向のランダム性により、電流が流れる両方向で同じ電圧-電流特性が得られました。

最も一般的な現代のバリスタは、金属酸化物バリスタ（MOV）です。このタイプには、少量のビスマス、コバルト、マンガン酸化物などの他の金属酸化物のマトリックスに、酸化亜鉛（ZnO）粒子のセラミック塊が含まれ、デバイスの電極を構成する2つの金属板の間に挟まれています。各粒子と隣接する粒子の境界はダイオード接合を形成し、電流が一方向にのみ流れるようにします。ランダムに配向された粒子の集積は、背中合わせのダイオードペアのネットワークと電気的に等価であり、各ペアは他の多くのペアと並列になっています。^[11]

電極間に小さな電圧が印加されると、ダイオード接合部を介した逆方向の漏れ電流によって、わずかな電流のみが流れます。大きな電圧が印加されると、熱電子放出と電子トンネル効果の組み合わせによりダイオード接合部が破壊され、大きな電流が流れます。この動作の結果、MOV は低電圧で高い抵抗を持ち、高電圧で低い抵抗を持つ非線形の電流電圧特性が得られます。

バリスタは、その両端の電圧が「クランプ電圧」より十分に低い場合、通常の動作中にシャントモード デバイスとして非導電性のままであるため、通常はライン電圧サージを抑制するために使用されます。バリスタが故障する原因は 2 つあります。

壊滅的な故障は、落雷などのイベントによる非常に大きなサージをうまく制限できないことから発生します。この場合、エネルギーはバリスタが処理できる桁違いの大きさになります。落雷によって生じるフォロースルー電流は、バリスタを溶かしたり、燃やしたり、蒸発させたりすることがあります。この熱暴走は、個々の粒界接合の整合性の欠如が原因で、過渡パルスのエネルギー（通常はジュールで測定）が高すぎる（つまり、製造元の「絶対最大定格」を大幅に超える）と、熱ストレス下で主要な電流経路が故障します。壊滅的な故障の可能性は、定格を上げるか、特別に選択された MOV を並列に使用することで減らすことができます。^[12]

サージがさらに発生すると、累積的な劣化が発生します。歴史的理由により、多くのMOVは誤った仕様になっており、頻繁なスウェルによって容量も劣化します。^[13] この状態では、バリスタは目に見える損傷はなく、外見上は機能しているように見えますが（壊滅的な故障はありません）、保護機能はもはや提供されません。^[14]最終的には、エネルギー放電によって酸化物を介した導電チャネルが生成され、短絡状態になります。

バリスタの寿命に影響を与える主なパラメータは、エネルギー (ジュール) 定格です。エネルギー定格が増加すると、バリスタが対応できる (定義された最大サイズの) 過渡パルスの数と、より小さいパルスをクランプすることによるエネルギーの累積合計が指数関数的に増加します。これらのパルスが発生すると、各イベント中にバリスタが提供する「クランプ電圧」が減少し、バリスタの「クランプ電圧」が 10% 変化すると、バリスタは機能的に劣化したとみなされます。メーカーの寿命予測チャートは、電流、重大度、過渡数を関連付け、部品の寿命中に消費される総エネルギーに基づいて故障を予測します。

民生用電子機器、特にサージプロテクターに使用されるMOVバリスタのサイズは小さいため、最終的には故障することが予想されます。^[15]電力伝送などの他のアプリケーションでは、長寿命を実現するために、さまざまな構成のVDRが使用されています。^[16]

MOV は、損傷を受けずに許容できる電圧範囲に従って指定されます。その他の重要なパラメータは、バリスタのエネルギー定格 (ジュール)、動作電圧、応答時間、最大電流、ブレークダウン (クランプ) 電圧です。エネルギー定格は、8/20 マイクロ秒や 10/1000 マイクロ秒などの標準化された過渡現象を使用して定義されることが多く、8 マイクロ秒は過渡現象の先頭時間で、20 マイクロ秒は値が半分になるまでの時間です。

消費者向けサイズ (直径 7～20 mm) のバリスタの一般的な静電容量は、100～2,500 pF の範囲です。携帯電話などのマイクロエレクトロニクス保護用に、静電容量が約 1 pF の小型低静電容量バリスタも提供されています。ただし、これらの低静電容量バリスタは、PCB マウント サイズが小さいため、大きなサージ電流に耐えることができません。

MOV の応答時間は標準化されていません。サブナノ秒の MOV 応答時間は、材料固有の応答時間に基づいていますが、コンポーネント リードのインダクタンスや取り付け方法などの他の要因によって遅くなります。^[17]この応答時間は、8 µs の立ち上がり時間を持つ過渡現象と比較すると重要ではないとみなされ、デバイスがゆっくりとオンになるのに十分な時間があります。非常に高速な、<1 ns の立ち上がり時間過渡現象にさらされた場合、MOV の応答時間は 40～60 ns の範囲になります。^[18]

典型的なサージプロテクター 電源タップは、MOV を使って作られています。低価格版では、ホット (活線、アクティブ) 導体からニュートラル導体まで、バリスタを 1 つだけ使用しています。より優れたプロテクターには、少なくとも 3 つのバリスタが含まれています。3 組の導体のそれぞれに 1 つずつです。^[要出典]一部の規格では、MOV の壊滅的な故障によって火災の危険が生じないように、3 重バリスタ方式を義務付けています。^{[19] [20]}

MOV は、落雷などによる非常に短い期間 (約 8 ～ 20 マイクロ秒) に大量の電力を伝導するように設計されていますが、通常は持続的なエネルギーを伝導する能力はありません。通常の商用電圧条件では、これは問題になりません。ただし、商用電力網の特定の種類の障害により、持続的な過電圧状態が発生する可能性があります。例としては、中性導体の損失や高電圧システムの短絡線などがあります。MOV に持続的な過電圧を適用すると、大きな電力損失が発生し、MOV デバイスが発火する可能性があります。全米防火協会(NFPA) は、サージ サプレッサー内の MOV デバイスによって引き起こされた壊滅的な火災の多くの事例を記録し、この問題に関する速報を発行しています。^[21]

直列接続されたサーマル ヒューズは、MOV の重大な故障に対する 1 つの解決策です。内部に熱保護機能を備えたバリスタも利用できます。

過電圧状態にある MOV を組み込んだ過渡電圧サージ サプレッサ(TVSS)の動作に関して、注意すべき問題がいくつかあります。伝導電流のレベルによっては、熱の放散が故障の原因になるほどで​​はないかもしれませんが、MOV デバイスを劣化させ、その寿命を縮める可能性があります。MOV によって過度の電流が伝導されると、MOV は壊滅的に故障して開回路状態になり、負荷は接続されたままになりますが、サージ保護が機能しなくなります。ユーザーは、サージ サプレッサが故障したことに気付かない場合があります。

過電圧とラインインピーダンスの適切な条件下では、MOVが爆発して炎上する可能性があります。^[22]これは多くの火災の根本的な原因です^[23]これはNFPAの懸念の主な理由であり、1986年にUL1449が制定され、その後1998年と2009年に改訂されました。適切に設計されたTVSSデバイスは、壊滅的な故障を起こしてはならず、代わりにMOVデバイスのみを切断するサーマルヒューズまたは同等のものが開くことになります。

過渡電圧サージ サプレッサ(TVSS)内の MOV は、電気機器を完全に保護するものではありません。特に、機器や保護デバイスに損傷を与える可能性のある持続的な過電圧からの保護は提供されません。その他の持続的で有害な過電圧は低いため、MOV デバイスによって無視される可能性があります。

バリスタは、突入電流サージ（機器の起動時）、過電流（短絡によって発生）、または電圧低下（電圧低下）から機器を保護することはできません。バリスタは、このような事象を感知することも、影響を与えることもありません。電子機器がこれらの他の電力障害にどの程度影響を受けやすいかは、システム設計の他の側面によって決まります。機器自体の内部、または外部（UPS、電圧レギュレータ、過電圧保護機能を内蔵したサージ プロテクタ（通常は電圧検知回路と、電圧が危険しきい値に達したときに AC 入力を切断するリレーで構成））によって決まります。

電圧スパイクを抑制するもう 1 つの方法は、過渡電圧抑制ダイオード(TVS) です。ダイオードは MOV ほど大きなサージを伝導する能力はありませんが、小さなサージでは劣化せず、より低い「クランプ電圧」で実装できます。MOV はサージに繰り返しさらされると劣化します^[24]。また、一般的に「クランプ電圧」が高く、リークによって MOV が劣化することはありません。どちらのタイプも、幅広い電圧範囲で使用できます。MOV は、より低コストでより高い関連エネルギーを伝導できるため、高電圧に適しています。^[25]

過渡サプレッサーのもう 1 つのタイプは、ガス チューブ サプレッサーです。これは、空気または不活性ガス混合物、そして多くの場合、 Ni-63などの少量の放射性物質を使用するスパーク ギャップの一種で、より一貫したブレークダウン電圧を提供し、応答時間を短縮します。残念ながら、これらのデバイスはバリスタよりもブレークダウン電圧が高く、応答時間が長くなる可能性があります。ただし、大幅に高い故障電流を処理し、複数の高電圧ヒット (たとえば、雷による) にも大きな劣化なく耐えることができます。

多層バリスタ(MLV) デバイスは、0～120 ボルト DC で動作する敏感な機器の低～中エネルギー過渡現象から電子回路を静電放電から保護します。ピーク電流定格は約 20～500 アンペア、ピークエネルギー定格は 0.05～2.5 ジュールです。^{[引用が必要]}

• リセット可能なヒューズ、電流に敏感なデバイス
• トリシル

ウィキメディア・コモンズには、バリスタに関連するメディアがあります。

• MOV の ABC — Littelfuse 社のアプリケーション ノート
• リテルヒューズ社のバリスタテスト