Все о варисторе

Общие сведения.

 

Варисторами называются полупроводниковые резисторы, электрическое  сопротивление которых существенно  зависит от приложенного напряжения, поэтому варисторы имеют нелинейную вольтамперную характеристику. Электрическое сопротивление варистора уменьшается при увеличении напряженности электрического поля в материале проводящего элемента.

Наибольшее распространение получили варисторы с симметричной относительно начала координат вольтамперной  характеристикой (рис.1),

 несимметричные варисторы специально не изготовляются. В качестве несимметричных варисторов могут быть использованы полупроводниковые выпрямители.

Первоначально в СССР и за рубежом варисторы изготавливались  исключительно на основе карбида  кремния. Попытки использовать для производства варисторов другие полупроводниковые материалы привели к созданию в последние годы варисторов на основе окисных полупроводниковых материалов. Варисторы изготавливают методами керамической технологии.  Порошок карбида кремния или оксидов металлов смешивают со связующими веществами (глиной, ультрафарфором, легкоплавкими стеклами) прессуют и спекают. Наряду с получаемыми таким образом варисторами с объемным проводящим элементом в последние годы связаны варисторы пленочного типа.

При увеличении напряжения, приложенного к выводам варистора, может происходить частичный пробой диэлектрических прослоек между частицами. Микронагрев в точках соприкосновения отдельных частиц  также увеличивает проводимость материала. Эти процессы приводят к нелинейной зависимости  между током варистора и приложенным к нему напряжением.

Полупроводниковые варисторы  нашли широкое применение в электротехнике. Первоначально они использовались исключительно в вентильных разрядниках для защиты высоковольтных линий электропередачи и высоковольтного электрооборудования от перенапряжений при грозовых разрядах, а впоследствии и для решения других задач. Масштабы производства варисторов в технически развитых странах неуклонно возрастают. Объем производства варисторов в нашей стране составляет несколько десятков миллионов штук в год. Варисторы выпускаются также в ГДР,ПНР,ЧССР,ВНР.

Производством варисторов занимается более 30 крупных фирм в развитых капиталистических странах.

Обладая резко нелинейной и симметричной вольтамперной характеристикой, варисторы позволяют просто и эффективно решать задачи, связанные с защитой элементов и устройств от перенапряжений и помех, стабилизацией напряжений. Технологичность и малая стоимость обеспечивают массовое применение варисторов в технике и позволяют им успешно конкурировать с другими приборами и устройствами, способными выполнять аналогичные функции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основные параметры  и характеристики варисторов

 

Важнейшей характеристикой  варистора является его вольтамперная характеристика. Она приближенно может быть представлена уравнениями

U=CIα

I=BUβ

где U,I-напряжение и ток варистора; C,B,α,β - некоторые коэффициенты.

Коэффициент нелинейности β характеризует нелинейность вольтамперной  характеристики варистора. Для линейных резисторов β=1, для нелинейных резисторов коэффициент нелинейности существенно больше единицы, причем с увеличением β нелинейность из соотношения между статическим Rст и динамическим Rд сопротивлениями варистора в определенной точке вольтамперной характеристики:

Величины С и В  связаны между собой соотношениями

C=B-α;

α=1/β

На рисунке 2 приведена вольт-амперная варистора в двойном логарифмическом масштабе:

lgU=1/β*lgI+lgC

Коэффициент нелинейности β в этом случае будет численно равен котангенсу угла наклона характеристики и оси токов:

β=ctg θ=(lgI2-lgI1)/(lgU2-lgU1).

Эта формула широко используется при расчетах β на практике.

   Для вычисления зависимости сопротивления варистора от протекающего по по нему тока или от приложенного напряжения пользуются соотношением

R=Cα-1=U1- β/B.

Вид зависимости R=f(U) показан на рисунке 3.

Иногда в практических расчетах неудобно пользоваться аналитическими выражениями воль-амперной характеристики. В этом случае для варисторов, изготовленных  на основе карбида кремния, в достаточно широком диапазоне напряжений можно эмпирическим уравнением

I=σ0exp (b√U)

Где σ0-электрическая проводимость рабочего тока варистора в слабых полях; b-постоянная.

Тогда коэффициент нелинейности β и постоянная В примут следующий вид:

Β=1+b√U/2;

B= σ0U-b√U/2exp(b √U).

При конструировании  аппаратуры с варисторами и в  процессе ее эксплуатации необходима учитывать, что многие параметры  варисторов изменяются с температурой. На рисунке 4 приведены вольт-амперные характеристики варисторов при различных температурах.

  Так как угол наклона вольт-амперных характеристик, построенных в логарифмическом масштабе, не изменяется с темперой (рисунок 4), можно утверждать, что коэффициент нелинейности практически не завит от температуры. Поэтому при расчете схем с варисторами зависимость β=f(t) обычно пренебрегают. Температурная зависимость постоянно С может быть выражена уравнением:

С=С0(1-κt).

Где С0 значение С при 00С; κ - температурный коэффициент, значение которого в зависимости от материала составляет -0,0012-0,0018; t-температура, С0.

 

 

 

На практике изменение проводимости варисторов при различных температурах характеризуют температурной зависимостью тока или напряжения и выражают соответствующими температурными коэффициентами (KT1 или KTU):

;

,

Здесь I0 и U0 соответственно значения тока и напряжения при температуре t0; I1 и U1-при температуре t1.

    Большинство варисторов имеют ТКI=0,7 1,0% /0 С; ТКU=(0,14 0,20)%/0С.

  Одними из основных параметров варисторов является классификационное напряжение и классификационный ток. Необходимо отметить, что классификационные параметры условны. Рабочее напряжение и ток выбирают исходя из допустимой мощности рассеяния варистора и предельно допустимого значения амплитуды напряжения. Предельно допустимая амплитуда указывается обычно в ТУ и ГОСТ. Мощность Р, выделяющаяся на варисторе в цепи постоянного тока, определяется из выражения

Р=CIα+1 =BUβ+1

Выделяющаяся мощность не должна вызывать нагрев варистора  выше предельно допустимой температуры (обычно 1000 С).

Для получения высоких  рабочих напряжений варистора необходимо иметь высокое значение постоянной С. Этого можно достигнуть, включив последовательно несколько варисторов. При этом вольт-амперная характеристика схемы выразится следующим уравнением:

U=C1Iα1+C2Iα2+…+CnIαn.

Если последовательная цепочка состоит из n одинаковых варисторов, то ее вольт-амперную характеристику можно представить в виде

U=nCIα.

Для низких рабочих напряжений необходимы малые значения постоянной С. Для этого надо включить параллельно  несколько варисторов. Вольт-амперная характеристика параллельно соединенных  варисторов выражается уравнением

I=B1Uβ1+B2Uβ2+…+BnUβn,

при использовании варисторов одного типа

 

I=nBUβ.

Если к варистору  приложить переменное напряжение, то форма протекающего через него тока сильно исказится из-за нелинейности вольт-амперной характеристики (рис.5,а). для случая, когда через варистор пропускается синусоидальный ток, кривая напряжения также существенно искажается (рис.5,б). вносимые искажения зависят от коэффициента нелинейности β. Они тем сильнее, чем больше β. Искаженные кривые остаются симметричными, что указывает на появление нечетных гармоник. Таблица 1 дает представление о соотношении между первой и третьей гармониками для различных значений β.

Таблица 1

Коэффициент

нелинейности

Составляющие тока

первая гармоника

третья гармоника

2

0,83

0,17

3

0,75

0,25

4

0,68

0,29

5

0,62

0,31

5,5

0,6

0,32

6

0,58

0,32

6,5

0,56

0,33


 

Действующее значение тока варистора при приложении к нему синусоидального напряжения определяется из выражения

.

Для среднего значения тока, протекающего через варистор при  подаче синусоидального напряжения, справедливо выражение

.

Действующее значение напряжения на варисторе при протекании через  него синусоидального тока определяется из следующего выражения:

Для мощности при подаче синусоидального напряжения получим

.

При протекании  через варистор синусоидального тока для выделяющейся в варисторе мощности получим

.

Применение варисторов на высоких частотах ограничено их собственной емкостью. В зависимости от целей использования предельные частоты варисторов находятся в пределах 500-5000Гц.

 

 

 

 

3.КОНСТРУКЦИЯ  И ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ  ВАРИСТОРОВ.

 

В нашей стране выпускается  в настоящее время более 20 типов варисторов с широким спектром основных технических характеристик, что позволяет успешно решать разнообразные задачи в электротехнике. Выпускаемые в СССР варисторы можно условно разделить на три основные группы:

1 низковольтные варисторы  малой мощности (до 5 Вт),

2 низковольтные мощные  варисторы (свыше 5 Вт),

3 высоковольтные варисторы  (свыше 1000 Вт).

Конструктивно варисторы  выполняются в виде дисков, шайб, стержней, а также в виде пленок на изоляционном основании.

Первоначально изготавливалось  несколько типов варисторов с номинальными напряжениями 5,20 и 50 В. В последующие годы советскими учеными (В.В. Пасынковым, А.Я. Караченцевым и др.) разработана серия низковольтовых варисторов  малой мощности: СН1, СН2, ВР. Варисторы типов СН1-1, СН1-2 и СН1-3 показаны на рисунке 6, а их параметры приведены в таблицах 2-4.

 

 

 

 


 

 

 

 

 

Таблица2

Тип варис-торов

Допуст- мая мощ-ность рассеи-вания, Вт

Клас-

сифик-ционное напря-жение, В

Допусти-

мое отк- лонение по класси-

фикацион-ному напряже-нию, %

Клас-сифика-ционный ток, А

Коэф-фици-ент нели-нейно  сти, не менее

Допусти-мая амп-литуда импульс-ного нап-ряжения, В

Интер-вал рабо-чих  темпе-ратур, 0С

1

2

3

4

5

6

7

8

 

 

 

 

СН1-1-1

 

 

 

 

1

560

 

 

 

 

10

 

 

 

 

10

3,5

1200

 

 

 

-40-+100

680

4

1300

820

4

1400

1000

4

1500

1200

4

1600

1300

4,5

1700

1500

4,5

2000

 

 

 

СН1-1-2

 

 

 

0,8

560

 

 

 

10

 

 

 

10

3,5

1200

 

 

 

-40-+100

680

4

1300

820

4

1400

1000

4

1500

1200

4

1600

1300

4,5

1700

1500

4,5

2000

 

 

 

СН1-2-1

 

 

 

 

1

56

 

 

 

 

10;
20

 

 

 

 

2

 

 

 

 

3,5

180

 

 

 

-40-+100

68

210

82

250

100

300

120

360

150

450

180

550

220

650

270

800

 

 

 

СН1-2-2

 

 

 

1

33

 

 

 

10;
20

 

 

 

3

3

95

 

 

 

-40-+100

39

3

110

47

3,5

120

56

3,5

150

68

3,5

170

82

3,5

200

100

3,5

230


 

Продолжение таб.2

 

1

2

3

4

5

6

7

8

 

 

 

СН1-3

 

 

 

0,1

5,6

 

 

 

10

 

 

 

 

5

 

 

 

2

20

 

 

 

-60+75

6,8

25

8,1

30

10

40

12

50

15

60

18

70

22

80

27

90


 

 

Таблица 3

Тип варистора

Размеры, мм

Длина L

Диаметр D

Толщина h

СН1-1-1

19

8.6

1

СН1-1-2

16

6,0

0,8


 

Таблица 4

Тип варистора

Классификационное

напряжение

Длина L,мм

Диаметр D,мм

 

 

 

СН1-2-2

33

 

 

 

6,5

 

 

 

12

39

47

56

68

82

100

 

 

 

 

СН1-1-2

56

 

 

6,5

 

 

16

68

82

100

120

150

7,5

16

180

220

8,5

16

270


 

 

Типы варисторов СН1-1-2, СН1-2-1 расшифровываются следующим образом: СН- сопротивление нелинейное; первая цифра за буквами обозначает материал (1-карбид кремния; 2-окись цинка), вторая цифра- шифр конструкции (1-стержневое,2- дисковое,3- микромодульное исполнение), третья цифра- условное обозначение габаритов.

 В обозначениях  типономиналов указываются классификационное  напряжение в вольтах и допустимое  отклонение напряжения в процентах. Полное обозначение варистора, например, дискового типа на классификационное напряжение 270В с допуском 10% имеет вид СН1-2-1-270 В 10%.

Классификационное напряжение для стержневых варисторов определяется при кратковременном  пропускании постоянного тока 10мА; для дисковых- при токе 3 мА в диапазоне классификационных напряжений от 15 до 27 В при токе 2 мА в диапазоне 50-270 В. Классификационные напряжения и токи не следует принимать как эксплуатационные. При выборе рабочего напряжения варистора исходят из допустимой мощности рассеяния и предельно допустимого значения амплитуды напряжения. Так, для варистора СН1-1-680 допустимое рабочее напряжение на постоянном токе при β=4,5 будет составлять 470 В.

Полупроводниковые варисторы  типа СН имеют симметричную вольт-амперную характеристику с асимметрией тока не более 10%.

На рисунке 7 приведены вольт-амперные характеристики варисторов  на основе карбида кремния.


Промышленные типы карбидокремниевых варисторов обладают заметной температурной зависимостью свойств. С повышением температуры проводимость рабочего элемента варистора увеличивается, с понижением- уменьшается, т.е. варисторы обладают отрицательным ТКR. Наиболее часто температурную зависимость свойств характеризуют температурным коэффициентом тока ТКI. Для варисторов типа СН1 ТКI положителен и в среднем его значения лежат в пределах 0,3-0,6%/0С. Влияние температуры на вольт-амперную характеристику варисторов типа СН1 показано на рисунке 8.

 


Варисторы СН1 предназначены  для работы в интервале  температуры  от -40 до +100 0С в цепях переменного, постоянного и импульсного тока. Кратковременно они могут работать при температуре +125 0С, однако при их длительной эксплуатации при указанной температуре начинают интенсивно развиваться процессы старения, что приводит к изменению параметров варисторов.

Нагрузочные характеристики варисторов в статическом режиме при номинальной мощности рассеяния  приведены на рисунке 9.

При нормальных условиях эксплуатации варисторов обладают высокой стабильностью параметров. Только у отдельных образцов в первые часы работы происходят незначительные изменение параметров в пределах 2-3%. Опытная эксплуатация варисторов в защитной аппаратуре и различных коммутационных цепях показала, что изменение их параметров за 1000ч работы незначительно и практически лежат в пределах погрешности измерений.

Срок службы варисторов в нормальных климатических условиях составляет не менее 3000ч; в течение  указанного срока изменение классификационного напряжения варисторов не должна превышать 5%.

Варисторы в обычном  исполнении работоспособны в условиях  с относительной влажностью до 95% ( при +30 0С), варисторы в тропическом исполнении- в условиях с относительной влажностью до 98% (при температуре +400С).

Механическая прочность  варисторов весьма велика: они выдерживают  вибрацию с ускорением до 2,5g в диапазоне частот от 5 до 80 Гц, а так же ударные нагрузки с ускорением до 12 g и нелинейные нагрузки с ускорением до 9 g.

Основные параметры  карбидокремниевых варисторов малой  мощности приведены в таблице 5.

Таблица 5

Тип

Классификационный

ток, мА

Классификационное

напряжение, В

Коэффициент нелинейности

СН1-М1

2

5-100

3-10

СН1-М2

2

5-330

3-10

СН1-1-2

10

470-1200

3,5

СН1-2-2

3

15-170

3

СН1-4

2

82-120

3

СН1-6

20

33

4-6

СН1-8

0,05

20000-25000

7-10

СН1-11

2

120

4

СН1-12

0,03

120-330

5-8

СН1-15

1

6-12

2-5

СН1-14

0,03

6000-14000

5

СН1-16

0,03

8000-12000

5


 

Варисторы малой мощности с более высокими нелинейными  свойствами созданы на основе окиси  цинка, удельное сопротивление которой регулируется путем изменения вида и количества вводимых добавок . Материалы с низким (10-103 Ом*см) удельное сопротивление служат основой варисторов поверхностно-барьерного типа, а с высоким (107-109 Ом*см) - основой объемных варисторов.

При изготовлении поверхностно-барьерных варисторов на заготовку из низкоомной керамики вжигается электрод из специальных серебросодержащих паст, в контакте электрода и окиси цинка возникает потенциальный барьер, вольт-амперная характеристика которого обладает высокой нелинейностью (коэффициент нелинейности отдельных образцов 15-20 и выше). Рабочее напряжение поверхностно-барьерных варисторов имеют диапазон от долей вольта до нескольких вольт.

Варисторы объемного  типа изготавливаются из окиси цинка  с добавками окислов висмута, свинца, олова и др. Они могут быть созданы на широкий диапазон  классификационных напряжений- от нескольких десятков вольт до десятков киловольт при коэффициенте нелинейности 15-45 ( для отдельных образцов до 50-100). Повышенное удельное сопротивление исходного материала и хорошие нелинейные свойства этих варисторов обусловлены образованием высокоомных межкристаллических прослоек из некоторых окислов (например, висмута) , а так же обедненных слоев на поверхности зерен.

Оксидно-цинковым варисторам присущи большие  значения собственных емкостей. На частоте 500 кГц при нулевом напряжении смещения диэлектрическая проницаемость варистора объемного типа составляет 5*102-103, а удельная емкость поверхностно-барьерных варисторов 107-108 пФ/м2. многие образцы варисторов обоих типов в области частот до 1МГц при повышенных плотностях тока обладают индуктивными свойствами, что в значительной степени связано с тепловыми эффектами в высокоомных межкристаллических прослойках.

Причина возникновения  нелинейности объемных поверхностно-барьерных оксидно-цинковых варисторов идентичны. Рассчитана по данным емкостным измерений напряженность поля в поверхностных барьерах находится в пределах 107-108 В/м. При таких сравнительно небольших полях нелинейность вольт-амперной характеристики обусловлена в значительной степени токами, ограниченными пространственным зарядом.

Оксидно-цинковые варисторы  объемного типа отличаются исключительно  высокой стабильностью при воздействии  импульсных нагрузок: при 10-кратном  разряде через них конденсатора емкостью 1мкФ, заряженного до 10 Uкл, классификационное напряжение, как правило, изменяется не более чем на 5%. Безотказность варисторов более чем на порядок превосходит безотказность кремневых стабилитронов, что делает варисторы весьма подходящими элементами для защиты различных приборов и устройств электротехнической аппаратуры от перегрузок по напряжению.

Оксидно-цинковые варисторы  типа СН2-1 выполнены в виде таблеток (диаметром 18мм и толщина 2-5мм) с проволочными выводами и покрыты эпоксидным компаундом. Вольт-амперные характеристики этих варисторов (классификационное напряжение изменялось при токе 1мА) представлены на рисунке 10,а. Вольт-амперные характеристики этих приборов на постоянном токе и в импульсном режиме (выше 5 А) даны на рисунке 10,б.

 


 

 

 

 

В широком диапазоне напряжений и токов на вольт-амперной характеристике варисторов можно выделить три характерных участка:

Первый - пологий участок до токов 0,01мА, на котором сопротивление варисторов изменяется незначительно;

Второй – крутой –  до 10 А, на котором коэффициент нелинейности β резко возрастает и находится в пределах 25-100, динамическое сопротивление составляет 2-5 Ом, а ТКU отрицателен и равен - 0,01% / 0С ( на полого участке это значение существенно больше и возрастает при снижении плотности тока);

Третий участок характеризуется нелинейностью β, примерно в 6-12 раз меньше, чем на втором участке.

Варисторы типа СН2-1 выдерживают  импульсные токи на порядок больше, чем кремневые стабилитроны тех  же габаритов. Например, при длительности импульса 100мкс через эти приборы можно пропускать токи до 100-300А без заметного изменения их электрических параметров.

Емкость рассматриваемых  варисторов при нулевом напряжении смещения и частоте 1кГц находится  в пределах  100-3000пФ, причем большие  значения характерны для низковольтных  варисторов.

Низкое динамическое сопротивление варисторов позволяет  создавать на их основе параметрическое  и компенсационные стабилизаторы, а так же применять их вместо стабилизаторов или карбидокремниевых варисторов.

 Варисторы типа ВР-2 предназначены для применения в транзисторных схемах зажигания автомобильных двигателей. Эти варисторы должны работать в интервале температур от -45 до +850С. Классификационный ток варисторов 1мА. Основные параметры варисторов приведены в таблице 6.

 

Таблица 6

Тип

Классификационное напряжение, В

Коэффициент нелинейности

ВР1

68-220

22

ВР2

220-470

25

ВР3

6,8-10

3,2

ВР4

20-70

15


 

 Мощные варисторы,  выпускаемые в нашей стране, изготавливаются  также на основе оксидных полупроводниковых  материалов.

Варисторы типов СН-1 и СН-2 выполняется из керамического материала марки ЦТ-30Ф1 на основе окиси цинка в виде шайб толщиной 4,5 и 5мм и диаметром 50-20мм.

Варисторы типа СН-1 и  СН-2 предназначены для работы при  температуре окружающего воздуха  от -40 до +60 0С и относительной влажности до 95% при 250С. Основные параметры варисторов типов СН-1 и СН-2 приведены ниже в таблице.7:

Все о варисторе 📙 Контрольная → 🆔 19946

Все о варисторе 📙 Контрольная → 🆔 19946

Все о варисторе