Spannungsabhängiger Widerstand – VDR

Ein VDR besteht aus Siliciumkarbid (SiC), das mit einem nichtleitenden, meist keramischen Bindemittel gesintert wurde. Das poröse Widerstandsmaterial ist gegen Feuchtigkeit mit einer Schutzhülle umgeben. Der Widerstandswert ist von der anliegenden Spannung abhängig. Auf die Polarität der angelegten Spannung muss nicht geachtet werden. Bei kleinen Spannungen ist ihr Widerstandswert hoch und nimmt mit zunehmender Spannung rasch ab. Diese Bauteile werden spannungsabhängige Widerstände, voltage dependent resistor VDR oder Varistoren genannt.

Die Kennlinie hat einen nicht linearen, exponentiellen Verlauf und weist auf Halbleitereigenschaften hin. Die polykristalline Sintermasse verhält sich wie eine große Zahl von Gleichrichterdioden in Reihen- und Parallelschaltung mit statistisch verteilter Polaritätsanordnung. Die Widerstandsänderung ist eine Folge der Feldstärkebedingungen innerhalb der Sintermasse. Bei Spannungsänderungen ändert sich unmittelbar auch der Widerstandswert des VDR.

Die Grafik zeigt mit einer Strom-Spannungs-Kennlinie das prinzipielle Bauteilverhalten. Sie folgt einem mathematischen Gesetz und ist zum Nullpunkt symmetrisch. Der Kennwert C ist ein Maß für den Widerstandswert. C gibt die Spannung an, bei der ein Strom von 1 A durch den Widerstand fließen würde. Ein VDR mit großem C-Wert besitzt einen hohen Grundwiderstandswert. Der β-Wert ist das Maß für die Steilheit des Stromanstiegs. Die C-Werte liegen zwischen 10 ... 1000, die β-Werte bei 0,2 ... 0,3.

Das folgende Diagramm zeigt die spannungsbegrenzende Wirkung eines VDR. Er bildet mit dem Vorwiderstand R = 1 kΩ eine Reihenschaltung. Die Betriebsspannung soll U = 100 V betragen. Die Ausgangsspannung ist U2. Der Schnittpunkt der Widerstandsgeraden R mit der VDR-Kennlinie liefert die Teilspannungen an den Widerständen. Für die Ausgangsspannung kann man U2 = 80 V ablesen.

Wird die Eingangsspannung um 50% auf 150 V erhöht, so muss die Widerstandskennlinie R durch Parallelverschiebung auf diesen Wert verschoben werden. Im neuen Schnittpunkt mit der VDR-Kennlinie wird die zugehörige neue Ausgangsspannung abgelesen. Sie beträgt U2 = 106 V und ist damit nur um 32,5% gestiegen.

Bei einem Spannungsanstieg auf 200 V, entsprechend 200% ändert sich in diesem Beispiel die Ausgangsspannung nur um 54% und beträgt U2 = 123V. Je steiler der Kennlinienbereich ist, in dem die Schnittpunkte liegen, desto besser ist die Spannungsbegrenzung.

Die vom Hersteller angegebene höchst zulässige Verlustleistung eines VDR ist zu beachten. Diese Widerstände sind jedoch in der Lage kurze Spannungsimpulse unbeschadet zu überstehen, wobei es im VDR zu Stromspitzen von einigen Ampere kommen kann. VDR-Widerstände können somit Geräteeingänge vor dem Einwirken kurzer Überspannungspulse schützen.