Варисторы

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н. П. ОГАРЕВА»

Институт электроники и светотехники

Кафедра электроники и электротехники

РЕФЕРАТ

на тему: «Варисторы»

                         Автор: ___________________________________ Дудников Н.Н

                        Проверил: ________________________________ Тетюшкин В.С

                                                                                
                                                                                                                            Оценка____________

Саранск 2016.

1. Варисторы
Варистор – полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление (проводимость) которого нелинейно зависит от приложенного напряжения, т. е. обладающий нелинейной симметричной вольт – амперной характеристикой. 



Рис.1. Обозначение варистора на схемах

2. Конструкция, принцип действия, ВАХ.
Основной материал для изготовления варисторов — полупроводниковый карбид кремния SiC. Кристаллы SiC размалывают до размера 40-300 мкм, и этот порошок используют в качестве основы варистора. Электропроводность порошка имеет нелинейный характер, однако она нестабильна, зависит от степени сжатия, крупности помола, меняется при тряске и т. п., поэтому порошок скрепляют связующим веществом. Порошкообразный карбид кремния и связующее вещество запрессовывают в форму и спекают. Если в качестве связующего вещества используют глину, то полученный материал называют тирит. Для изготовления тирита смесь 74% мелкоизмельченного карбида кремния и глины прессуется и обжигается при температуре 1270°С. Если используют жидкое стекло (75% SiO2 24% Na2O вода, то есть силикатный клей), то полученный материал, состоящий из 84% SiC и 16% связующего, называют вилит. Смесь для изготовления вилита прессуется и обжигается при температуре 380°С. При использовании в качестве связующего вещества ультрафарфоровой связки получают лэтин, а прессованный углерод с кристаллическим кремнием называется силит.

После этого поверхность полученного элемента металлизируют и припаивают к ней выводы. Варисторы на основе карбида кремния имеют невысокий коэффициент нелинейности, порядка 5-7, поэтому в настоящее время для изготовления варисторов применяется оксид цинка с добавками оксидов висмута, кобальта, марганца, сурьмы и хрома. Технология его приготовления сложна, она включает раздельный размол компонентов, смешение со связкой, прессование, спекание с выжиганием связки, размол, вторичное спекание, вжигание электродов. В результате получается высококачественная керамика с высокой нелинейностью, величина которой составляет 50-70. Нелинейность варисторов на основе оксидных полупроводников связана не со свойствами кристаллитов (мелкие монокристаллы, не имеющие ясно выраженной огранки), а со свойствами межкристаллитных прослоек и потенциальных барьеров на поверхности кристаллитов. Однако варисторы на основе оксида цинка менее стабильны при работе и хранении, в них относительно легче получить большую нелинейность ВАХ, чем в варисторах из карбида кремния. Конструктивное оформление варисторов может быть различным в зависимости от назначения и необходимых параметров – диски, таблетки, стержни, бусинковые или пленочные.

Нелинейность ВАХ варисторов обусловлена явлениями на точечных контактах между кристаллами карбида кремния.


Рис.2. ВАХ варисторов: синие - на основе ZnO, красные - на основе SiC.

При малых напряжениях на варисторе может происходить туннелирование электронов через тонкие потенциальные барьеры, существующие на поверхности кристаллов (SiO). При больших напряжениях на варисторе и, соответственно, при больших токах, проходящих через него, плотность тока в точечных контактах становится большой. Все напряжение, проложенное к варистору, падает на точечных контактах. Поэтому удельная мощность (мощность в единице объема), выделяющаяся в точечных контактах, достигает таких значений, которые нельзя не учитывать. Разогрев точечных контактов приводит к уменьшению их сопротивления и к нелинейности ВАХ. 

Сопротивление точечных контактов определяется сопротивлением растекания, т.е. сопротивлением малых активных областей полупроводника под точечными контактами. Из-за малости активных областей их разогрев практически не приводит к повышению температуры всего варистора. Кроме того, малые объемы активных областей обеспечивают малую инерционность тепловых процессов – разогрева и охлаждения этих областей (с). Сопротивление растекания двух контактирующих кристаллов запишется в виде:  где  - удельная проводимость полупроводника, d – диаметр точечного контакта, B - коэффициент температурной чувствительности поверхностных слоев кристаллов. Статическое сопротивление варистора, состоящего из a параллельно включенных цепочек, имеющих в свою очередь, b последовательно включенных контактирующих кристаллов можно записать в виде

. (1)

Для активных областей варистора можно записать уравнение теплового баланса:

, (2)

где H – коэффициент рассеяния активных областей, T – температура активных областей,  - температура окружающей среды. Из уравнения (1), учитывая (2) можно получить уравнения ВАХ варисторов в параметрической форме:



 (3)

Уравнения (3) неудобны для расчета цепей с варисторами, т.к. содержат ряд величин (a, b, d, H), значения которых практически невозможно определить непосредственно.

Теперь можно описать принцип действия варисторов. Варистор включается параллельно защищаемому оборудованию, последовательно с внутренним сопротивлением источника помех (имеется в виду сопротивление линии передачи данных с учетом омического импеданса кабеля), т.е. при нормальной эксплуатации он находится под действием рабочего напряжения защищаемого устройства. При отсутствии перенапряжения ток, проходящий через варистор, очень мал. В рабочем режиме (при отсутствии импульсных напряжений) ток через варистор пренебрежимо мал, и поэтому варистор в этих условиях представляет собой изолятор.

Рис.3. Защита схемы с помощью варистора

При возникновении импульса напряжения варистор в силу нелинейности своей характеристики резко уменьшает свое сопротивление до долей Ома и шунтирует нагрузку, защищая ее, и рассеивая поглощенную энергию в виде тепла. В этом случае через варистор кратковременно может протекать ток, достигающий нескольких тысяч ампер. Так как варистор практически безынерционен, то после гашения импульса напряжения он вновь приобретает очень большое сопротивление.


Рис.4. Напряжение на нагрузке при коммутации в сети 0,4 кВ

Таким образом, включение варистора параллельно электрооборудованию не влияет на его работу в нормальных условиях, но "срезает" импульсы опасного напряжения, что полностью обеспечивает сохранность даже ослабленной изоляции. Варистор в состоянии покоя имеет высокое сопротивление (несколько МОм) по отношению к защищаемому прибору и не изменяет характеристику электрической цепи. При превышении напряжения варистор имеет низкое сопротивление (всего несколько Ом) и фактически шунтирует прибор, т.е. устройство Е защищено.

3. Основные характеристики и параметры
Классификационное напряжение, В — напряжение при определённом токе (обычно изготовители указывают при 1 мА), практической ценности не представляет. 

^Рабочее напряжение, В (для пост. тока и для переменного) — диапазон — от нескольких В до нескольких десятков кВ; данное напряжение должно быть превышено только при перенапряжениях. 

^Рабочий ток, А — диапазон — от 0,1 мА до 1 А 

Максимальный импульсный ток, А 

Поглощаемая энергия, Дж

Максимальное напряжение ограничения - это максимальное напряжение между выводами варистора в течение длительности импульса тока (8/20 μсек – предполагается, что это грозовой импульс)

^Допускаемая мощность рассеивания - характеризует возможность рассеивать поглощаемую электрическую энергию в виде тепла. Этот показатель в основном определяется геометрическими размерами варистора и конструкцией выводов. Для увеличения мощности рассеивания часто применяют массивные выводы, которые играют роль своеобразного радиатора.

Ток перегрузки - максимальный пиковый ток варистора при изменении напряжения варистора на 10% при стандартном импульсе тока (8/20 μсек) приложенный один или два раза с интервалом 5 мин.

^Средняя рассеиваемая мощность -средняя мощность рассеяния при заданной температуре окружающей среды.

Емкость - опорная величина, измеряемая при заданной частоте. Варисторы имеют достаточно большую емкость, определенным образом зависящую от приложенного напряжения. 



Рис.5. Типичные вольт-фарадные характеристики варистора

Как видно из приведенного рисунка, варистор имеет определенную емкость в рабочем режиме (когда нет импульсов напряжения), а при воздействии импульса напряжения емкость варистора практически равна нулю

Информацию о напряжении на варисторе в области больших токов изготовители приводят в технических условиях. Иногда это напряжение называют остающимся напряжением. При этом обязательно указывают длительность (форму) и амплитуду импульса тока, при воздействии которого на варистор эти измерения произведены. Остающееся напряжение при различных амплитудах тока импульса можно измерить на специальных импульсных установках.

^Оценка срока службы варистора- определяется как максимально допустимое количество импульсов, прикладываемых к варистору. Для определения используются импульсы стандартной длительности - 8/20 микросекунд (или 10/1000).

^Коэффициент нелинейности варистора – это отношение статического R и дифференциального r сопротивлений при заданном постоянном напряжении на варисторе:

. (4)

При учете соотношений (2.3), найдем дифференциальное сопротивление варистора:

. (5)

Тогда с учетом соотношений (2.4) и (2.5) коэффициент нелинейности варистора 

 (6)

Коэффициент нелинейности лежит в пределах 2-10 у варисторов на основе SiC и 20-100 у варисторов на основе ZnO. Экспериментально коэффициент нелинейности можно оценить по формуле 



Чаще всего коэффициент нелинейности определяется при токе 1 мА и 10 мА, при этом формула (3) приобретает вид



Вольт – амперная характеристика, как было отмечено, должна соответствовать уравнениям (3). Важно отметить, что вольт – амперная характеристика варистора – симметрична. Если же схема работает в узком диапазоне изменений напряжений и токов, то коэффициент нелинейности в этом диапазоне можно считать постоянным. Тогда



и ВАХ варистора будет иметь вид:

. (7)

Иногда ВАХ варисторов аппроксимируют уравнением:

, (8)

где  и . 

Используя уравнения (7) и (8), можно определить зависимость сопротивления от тока и напряжения:

, (9)

 (10)

Температурные коэффициенты статического сопротивления, напряжения и тока (TKR, или; TKU, или ,TKI, или ). В связи с нелинейностью ВАХ следует различать температурные коэффициенты статического сопротивления варистора, измеренные при постоянных напряжении или токе, а также температурные коэффициенты напряжения и тока. Из уравнений (7) – (10), с учетом температурного изменения коэффициентов A и , получим:

,(11)

, (12)

, (13)

, (14)

При малых напряжениях на варисторах, когда коэффициент нелинейности , т.е. на линейном участке ВАХ

, (15)

Используя уравнения (11) – (14), определим соотношения между различными температурными коэффициентами варистора:

, .

У отечественных варисторов, в диапазоне температур от -40 до 

, .

Частотные свойства варисторов могут определяться либо инерционностью процессов, приводящих к нелинейности ВАХ, либо собственной емкостью варистора. Инерционность разогрева и охлаждения активных областей под точечными контактами между кристаллами очень мала. Поэтому частотные свойства варисторов определяются временем перезаряда их собственной емкости.

В некоторых случаях указывают коэффициент защиты варистора - это отношение напряжения на варисторе при токе 100А к напряжению при токе 1мА (т.е. к классификационному напряжению). Этот коэффициент для варисторов на основе оксида цинка находится в пределах 1.4 - 1.6, и он характеризует способность варистора ограничивать импульсы перенапряжения. Другими словами - при росте напряжения в 1,4- 1,6 раза ток возрастает в 100 000 раз (!).

3. Применение и основные схемы включения
Низковольтные варисторы изготавливают на рабочее напряжение от 3 до 200 В и ток от 0,1 мА до 1 А; высоковольтные варисторы — на рабочее напряжение до 20 кВ.

Варисторы применяются для стабилизации и регулирования низкочастотных токов и напряжений, в аналоговых вычислителях — для возведения в степень, извлечения корней и других математических действий, в цепях защиты от перенапряжений (например, высоковольтные линии передачи, линии связи, электрические приборы) и др.

Высоковольтные варисторы применяются для изготовления ограничителей перенапряжения.

Как электронные компоненты, варисторы дёшевы и надёжны, способны выдерживать значительные электрические перегрузки, могут работать на высокой частоте (до 500 кГц). Среди недостатков — значительный низкочастотный шум и старение - изменение параметров со временем и при колебаниях температуры. В последние 5 лет появились на рынке так называемые "нестарящиеся" варисторы, имеющие по ряду параметров улучшение электрических свойств во времени под напряжением промышленной частоты. Важно отметить, что варисторы, как элементы защиты устанавливают параллельно защищаемому прибору (схеме).