Варистор

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=CI^α

I=BU^β

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 R_ст и динамическим R_д 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=C^α-1=U^{1- 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 σ_0-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=CI^α+1 =BU^β+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=C₁I^α1+C₂I^α2+…+C_nI^αn.

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

U=nCI^α.

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=B₁U^β1+B₂U^β2+…+B_nU^βn,

при использовании варисторов одного типа

 

I=nBU^β.

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