Нелинейные резисторы (варисторы)

Варисторы — это электротехнические изделия из многофазных полупроводниковых материалов, обычно получаемых на основе по­лупроводникового химического соединения — карбида кремния SiC_x(x~ 1) (см. гл. 9.3.1). Для связки порошкообразного SiC_x исполь­зуют различные вещества. В зависимости от состава связки на осно­ве карбида кремния производят: 1) ширит (глинистая связка), 2) ви- лит (стеклосвязка), 3) лэтин (ультрафарфоровая связка), 4) силит (углерод с кристаллическим кремнием) — обладает повышенным удельным сопротивлением и высокой нагревостойкостью, использу­ют в качестве нагревательных элементов. В последние годы в произ­водстве варисторов стали использовать оксид цинка ZnO.

Таблица 8.9

Стаби­литрон	Напряжение стабилизации	Дифференциальное сопротивление	Максимальный ток стабилизации, мА	Минималь­ный ток стабилиза­ции при —55-И-50 °С, мА	Максималь­ная мощ­ность рас­сеяния, мВт	Диапазон рабочей температу­ры, °С	ТКН стаби­лизации, %/ °с, не более
при мА	v*. в	при /ст, мА	W °^м	—50-И-50 °С	100°с
Д808		7-8,5							-55-100	0,045
Д810		9-10,5				6,5			-55-100	0,06
Д811		10-12							-55-100	0,073
Д813		11,5-14							-55-100	0,075
Д814А		7-8,5				11,5			-55-100	0,07
Д814Б		8-9,5				10,5			-55-100	0,08
Д814В		9-10,5				9,5			-55-100	0,09
Д814Г		10-12				8,3			-55-100	0,095
Д814Д		11,5-14				7,2			-55-100	0,095
КС156А		5,6							-55-100	0,05
КС 168 А		6,8							-55-100	0,06
КС210Б									-50-100	-
KC433A		3,3							-60-100	-0,1
КС650А							2,5		-60-100	0,2
КС680А							2,5		-60-100	0,2

Характеристики кремниевых стабилитронов

-20

U, В

a

/

в

A

T \Ul A

t/, f/₂

Рис. 8.14. Принцип действия варистора на основе карбида кремния:

а — эквивалентная схема замещения варистора; б — ВАХ, соответствующая эквивалентной схеме замещения; в — ВАХ варистора (на примере СН1-3)

Нелинейная зависимость тока от величины приложенного на­пряжения у тирита, вилита и лэтина объясняется увеличением про­водимости и частичным пробоем оксидных пленок, покрывающих кристаллические зерна (кристаллиты) карбида кремния, в электри­ческих полях с напряженностью более 10⁶—10⁷ В/м. В сильных полях происходит замыкание контактных зазоров между зернами карбида кремния, увеличение контактной площади и микронагрев контакти­рующих точек между зернами. При этом усиливается термоэлектрон­ная ионизация и облегчаются другие процессы — туннелирование зарядов сквозь 33 и ударная ионизация электронами и дырками, ко­торые и приводят к возрастанию проводимости переходных контакт­ных слоев и частичному их пробою. С повышением приложенного напряжения растет количество замыкаемых параллельных цепочек контактирующих между собой зерен, чем и объясняется нелинейный характер вольтамперной характеристики (рис. 8.14).

Упрощенная эквивалентная схема замещения варистора, приве­денная на рис. 8.14, а, показывает, что проводимость варистора в слабых электрических полях определяется только сопротивлением R. В сильных полях при напряжениях U_b U₂, t/₃, U_A и т. д. начинают по­следовательно друг за другом включаться параллельные цепочки контактирующих зерен. В результате ток резко и неравномерно воз­растает. Поэтому ВАХ представляет собой ломаную линию (см. рис. 8.14, б). В реальных условиях из-за большого множества в варисторе цепочек контактирующих зерен ВАХ представляет плавную кривую (см. рис. 8.14, в).

Важным свойством материала, используемого для изготовления варистора, является его химическая стойкость при высоких темпера­турах. Это требование вызвано прежде всего тем, что при работе ва-
ристора почти вся мощность при включении цепочек контактирую­щих зерен выделяется в малом объеме точечных контактов между отдельными зернами полупроводникового материала. Кроме того, у материала должна полностью отсутствовать ионная составляющая проводимости в виду того, что она вызывает электролиз при прохож­дении постоянного тока и, следовательно, изменение химического состава полупроводника. В этой связи в производстве варисторов широкое применение получил карбид кремния — один из самых тер­мостойких материалов. Однако варисторы на основе SiC имеют не­высокий коэффициент нелинейности р-не более 6, что ограничи­вает область их применения.

Нелинейные резисторы широко применяют в производстве вентильных разрядников, предназначенных для защиты изоляции электрооборудования от грозовых и коммутационных перенапряжений. Вентильные разрядники подразделяют на низко- и высоковольтные; их выпускают на различные на­пряжения и токи: от 0,5 кВ номинального напряжения частотой 50 Гц до 750 кВ и номинальным разрядным током до 10 кА (ГОСТ 16357—83).

Варисторы для вентильных разрядников выпускают в виде дисков диа­метром от 40 до 150 мм и высотой от 10 до 50 мм с нанесенными с обеих сторон электродами. Диски собирают в «столбик» в количестве, определяе­мом номинальным напряжением вентильного разрядника. ВАХ варисто- ра подчиняется выражению (8.29), ее графический вид изображен на рис. 8.14, в:

I = AU*, (8.29)

где А — коэффициент, зависящий от типа варистора и температуры; р — ко­эффициент нелинейности варистора:

р ЛИ.

К I dU

ВАХ варистора можно аппроксимировать уравнением

(8.30) (8.31)

и = КГ,

Практически коэффициент а рассчитывают по формуле

In (JIJUA ln(/_K//,)'

где U_h Ij — начальные значения напряжения и тока; U_K, /_к — конечные значения напряжения и тока.

где а = 1/р; К = А~^а. Рис. 8.15. ВАХ вилитово- го диска d— 100 мм, h = 60 мм

(8.32)

Если ВАХ варистора построить в логарифми­ческих координатах, то ее можно изобразить дву­мя отрезками прямых с различными углами на­клона (рис. 8.15). На первом участке (/< 10³ А) коэффициент а для вилита имеет значение 0,28—0,32, для тирита 0,35—0,38. На втором уча­стке (/> 10³ А) коэффициент а для вилита со­ставляет 0,13—0,2, для тирита 0,15—0,25.

В последние годы налажено производство варисторов из оксид­ных полупроводников, основу которых составляет оксид цинка ZnO, легированный висмутом, кобальтом или другим химическим элемен­том (см. гл. 9.3.3). Изготавливают эти варисторы методом керамиче­ской технологии. Нелинейность ВАХ варисторов на основе оксид­ных полупроводников связана не со свойствами кристаллитов (основная составляющая полупроводниковой керамики), а со свой­ствами межкристаллитных прослоек и потенциальных барьеров на поверхности кристаллитов. Поэтому у этих варисторов сопротивле­ние межкристаллитных прослоек должно быть выше сопротивления объема самих кристаллитов. Важная особенность материалов на ос­нове оксида цинка — высокий коэффициент нелинейности р у изго­товленных из них варисторов, который составляет несколько десят­ков. Однако варисторы из оксидных полупроводниковых материалов на основе ZnO менее стабильны при работе и хранении, чем вари­сторы из SiC, вследствие чего они не получили широкого примене­ния. Известно, что в ВЭИ им. В.И. Ленина (г. Москва) разработаны варисторы на основе ZnO, имеющие «нестарящуюся» ВАХ и хоро­шую удельную пропускную способность.

Дата добавления: 2015-08-09