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バリスタ（別名：電圧依存抵抗器（VDR））は、印加電圧によって電気抵抗が変化するサージ保護電子部品です。 [ 2 ]ダイオードに似た非線形、非オームの電流-電圧特性を持ちます。ただし、ダイオードとは異なり、電流の両方向で同じ特性を持ちます。従来、バリスタは、銅酸化物または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、バリスタは高い電気抵抗を持ち、電圧が上昇するにつれて抵抗が減少します。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、微視的なスケールでのみ方向性を示します。このタイプは一般的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、回路において最適な動作条件を提供したり、過渡電圧から保護したりするために、制御素子または補償素子として使用されます。保護素子として使用される場合、バリスタはトリガーされると、過電圧によって発生した電流を敏感な部品から遠ざける役割を果たします。
バリスタという名称は、可変抵抗器（varying resist）の合成語です。この用語は、非オーム性の可変抵抗器にのみ使用されます。ポテンショメータやレオスタットなどの可変抵抗器は、オーム性の特性を持っています。
銅上に酸化第一銅（Cu 2 O）層を形成した新しいタイプの整流器であるバリスタの開発は、1927年のLO GrondahlとPH Geigerの研究に端を発している。[ 3 ]
銅酸化物バリスタは、印加電圧の極性と大きさに応じて抵抗値が変化する。[ 4 ]これは、片面に酸化第一銅の層が形成された小さな銅ディスクから構成されている。この構造により、半導体酸化物から銅側へ流れる電流に対する抵抗は低くなるが、逆方向の電流に対する抵抗は高くなり、瞬時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、明らかに耐用年数が無限である小型の多重バリスタアセンブリが、電話伝送の搬送電流システムにおける変調器および復調器として、かさばる電子管回路の代替として応用された。[ 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の回路保護、および受話器（イヤホン）素子のクリックノイズ抑制による、回路切り替え時のポップノイズからのユーザー耳の保護などが挙げられる。これらのバリスタは、偶数枚の整流ディスクを積み重ね、端子と中心を逆並列接続することで製造された。1952年6月のウェスタン・エレクトリック社製タイプ3Bバリスタの写真（下記）を参照されたい。
1949年に発売されたウェスタン・エレクトリック社製500型電話機は、バリスタを用いた動的ループ等化回路を導入し、短い中央局ループでは比較的高いレベルのループ電流を分流することで、送受信信号レベルを自動的に調整した。長いループでは、バリスタは比較的高い抵抗値を維持し、信号を大きく変化させることはなかった。[ 7 ]
別のタイプのバリスタは、1930年代初頭にRO Grisdaleによって炭化ケイ素（SiC）から作られました。これは電話線を落雷から保護するために使用されました。 [ 8 ]
1970年代初頭、日本の研究者たちは、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バリスタタイプとして有用であることを認識した。このバリスタは、2つの逆向きのツェナーダイオードと同様の電圧-電流特性を示した。[ 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った。この材料のバルク中のZnO粒子のランダムな配向により、電流の流れの両方向で同じ電圧-電流特性が得られた。
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。このタイプは、ビスマス、コバルト、マンガン酸化物などの少量の金属酸化物のマトリックス中に、酸化亜鉛（ZnO）粒子のセラミック塊が2枚の金属板（デバイスの電極を構成する）に挟まれています。各粒子と隣接する粒子との境界はダイオード接合を形成し、電流は一方向にのみ流れます。ランダムに配向した粒子の集積は、電気的には、多数の他のペアと並列に接続された、背中合わせのダイオードペアのネットワークに相当します。[ 11 ]
電極間に小さな電圧を印加すると、ダイオード接合部を通る逆方向漏れ電流によってごくわずかな電流が流れます。大きな電圧を印加すると、熱電子放出と電子トンネル効果の組み合わせによってダイオード接合部が破壊され、大きな電流が流れます。この挙動の結果、電流-電圧特性は非線形となり、MOVは低電圧では高い抵抗値を示し、高電圧では低い抵抗値を示します。
バリスタは、その両端の電圧が「クランプ電圧」よりも十分に低い場合、シャントモードデバイスとして通常動作中は非導通状態を維持するため、バリスタは一般的に線間電圧サージの抑制に使用されます。バリスタは、次の2つの理由のいずれかで故障する可能性があります。
壊滅的な故障は、落雷などの事象による非常に大きなサージを適切に抑制できなかった場合に発生します。この場合、関与するエネルギーはバリスタが処理できるエネルギーよりも何桁も大きくなります。落雷によって発生する継続電流は、バリスタを溶融、燃焼、または蒸発させる可能性があります。この熱暴走は、個々の粒界接合部の不整合が原因であり、過渡パルスのエネルギー（通常はジュールで測定）が高すぎる場合（つまり、製造元の「絶対最大定格」を大幅に超える場合）、熱応力下で主要な電流経路が故障します。壊滅的な故障の確率は、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によって低減できます。[ 12 ]
サージが繰り返されるにつれて、累積的な劣化が発生します。歴史的な理由から、多くのMOVは仕様が誤っており、頻繁なサージによっても容量が劣化するようになっています。[ 13 ] この状態では、バリスタは目に見える損傷を受けておらず、外見上は機能しているように見えます（壊滅的な故障はありません）が、もはや保護機能を提供しません。[ 14 ]最終的には、エネルギー放電によって酸化物を通して導電経路が形成されるため、短絡状態に移行します。
バリスタの寿命に影響を与える主なパラメータは、そのエネルギー（ジュール）定格です。エネルギー定格を上げると、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、より小さなパルスをクランプすることによる累積エネルギーの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供給する「クランプ電圧」が低下し、通常、「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ているとみなされます。メーカーの寿命予測チャートは、電流、過渡現象の深刻度、および過渡現象の数を関連付け、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では、使用されるMOVバリスタのサイズが小さいため、いずれ故障することが予想されます。[ 15 ]電力伝送などの他の用途では、長寿命化のために設計された複数の構成で異なる構造のVDRが使用されます。[ 16 ]
MOV （金属酸化物バリスタ）は、損傷なく耐えられる電圧範囲に基づいて仕様が定められています。その他の重要なパラメータとしては、ジュール単位のエネルギー定格、動作電圧、応答時間、最大電流、および降伏（クランプ）電圧があります。エネルギー定格は、8/20マイクロ秒や10/1000マイクロ秒といった標準化された過渡現象を用いて定義されることが多く、8マイクロ秒は過渡現象の立ち上がり時間、20マイクロ秒は半値までの時間です。
民生用（ 直径7～20mm）バリスタの一般的な静電容量は100～2,500pF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途向けには、静電容量が約1pFの小型で低容量のバリスタも市販されています。しかし、これらの低容量バリスタは、基板実装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応答という主張は、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実装方法などの他の要因によって遅くなります。[ 17 ]また、この応答時間は、立ち上がり時間が8 µsの過渡現象と比較すると無視できるほど短いため 、デバイスがゆっくりとオンになるのに十分な時間が確保されます。立ち上がり時間が1 ns未満の非常に速い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 ]
一般的なサージプロテクタ電源タップはMOVを使用して構築されています。低価格バージョンでは、ホット（活線、アクティブ）導体から中性線導体まで、1つのバリスタのみを使用する場合があります。より優れたプロテクタには、少なくとも3つのバリスタが含まれています。3対の導体それぞれに1つずつです。一部の規格では、MOVの致命的な故障が火災の危険を引き起こさないように、3つのバリスタ構成を義務付けています。 [ 19 ] [ 20 ]
MOVは、落雷などによって発生するような非常に短い時間（約8～20マイクロ秒）で大きな電力を流す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流す能力はありません。通常の電力系統の電圧条件下では、これは問題になりません。しかし、電力系統の特定の種類の故障は、持続的な過電圧状態を引き起こす可能性があります。例としては、中性線の喪失や高電圧系統の短絡線などが挙げられます。MOVに持続的な過電圧が印加されると、大きな損失が発生し、MOVデバイスが発火する可能性があります。米国防火協会（NFPA）は、サージ抑制器の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ており、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の致命的な故障に対する解決策の一つです。内部に熱保護機能を備えたバリスタも市販されています。
過電圧状態におけるMOV（金属酸化物バリスタ）を組み込んだ過渡電圧サージ抑制器（TVSS）の動作に関して、注意すべき点がいくつかあります。伝導電流のレベルによっては、放熱量が故障を引き起こすには不十分な場合でも、MOVデバイスの劣化を招き、寿命を縮める可能性があります。MOVに過大な電流が流れると、回路が開回路状態になり、負荷は接続されたままサージ保護機能が失われ、致命的な故障を引き起こす可能性があります。ユーザーは、サージ抑制器が故障したことに全く気づ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が発火する可能性があり[ 22 ] 、これは多くの火災の根本原因[ 23 ]であり、NFPAが懸念する主な理由であり、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すことなく、熱ヒューズまたはそれに相当するものが開いてMOVデバイスを遮断するだけの結果となる必要があります。
過渡電圧サージ抑制器（TVSS）内部の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、機器や保護装置自体に損傷を与える可能性のある持続的な過電圧からは保護されません。その他の持続的で有害な過電圧は、MOVデバイスでは低すぎるため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（機器起動時）、過電流（短絡によるもの）、電圧低下（ブラウンアウト）から機器を保護する機能はありません。バリスタは、これらの事象を検知したり、影響を与えたりすることはありません。電子機器がこれらの電力障害に対してどれほど脆弱であるかは、機器内部、あるいはUPS、電圧レギュレータ、過電圧保護機能内蔵のサージプロテクタ（通常、電圧検出回路と、電圧が危険閾値に達したときに交流入力を遮断するリレーで構成される）などの外部手段によって、システム設計の他の側面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流す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[ 24 ]、一般的にリークによって MOV が劣化しないように「クランプ電圧」が高くなっています。どちらのタイプも幅広い電圧範囲で利用可能です。MOV は、より高いエネルギーをより低いコストで流すことができるため、より高い電圧に適しています。[ 25 ]
過渡現象抑制器のもう一つのタイプは、ガス管式抑制器です。これは、空気または不活性ガス混合物、そして多くの場合、ニッケル63などの少量の放射性物質を用いて、より安定した絶縁破壊電圧を実現し、応答時間を短縮するスパークギャップの一種です。残念ながら、これらのデバイスはバリスタよりも絶縁破壊電圧が高く、応答時間が長くなる場合があります。しかしながら、はるかに高い故障電流に対応でき、落雷などによる複数回の高電圧衝撃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ボルトの直流で動作する高感度機器において、低～中エネルギーの過渡現象から電子回路を保護する静電放電保護機能を提供します。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。