Politechnika Poznańska Wydział Elektryczny Kierunek: Elektrotechnika
ImiÄ™ i Nazwisko Nr:
Rok akademicki

1. Wstęp

Warystorem nazywamy półprzewodnikowy podzespół elektroniczny, dokładniej rezystor,

mający taką charakterystyczną właściwość, że wartość jego rezystancji jest bezpośrednio uzależniona od napięcia na niego przyłożonego, mianowicie maleje nieliniowo wraz ze wzrostem drugiego czynnika. Wpływ ten jest na tyle duży, że od początkowej wartości rezystancji sięgającej wielu setek kiloomów, może ona, przy odpowiednio dużym napięciu, spaść do zaledwie kilkunastu omów.

Charakterystykę tę można opisać równaniami:

gdzie:

- stała zależna od geometrii elementu

- współczynnik nieliniowości warystora, =1/α, można opisać go równaniem

, im bardziej tym charakterystyka warystora jest korzystniejsza

lub:

gdzie:

k – stała zależna od geometrii warystora,

α – opisuje stopień nieliniowości charakterystyki i zależy od materiału i technologii elementu. Im większa wartość współczynnika α, która wynosi w praktyce od 15 do 30, tym lepsze właściwości aplikacyjne warystora.

Warystory stosuje się do ochrony wrażliwych elementów i układów elektronicznych przed szkodliwymi przepięciami, które mogą wyniknąć wskutek przełączanych indukcyjności np. silników czy przekaźników. Równie groźne są wyładowania atmosferyczne czy promieniowanie elektromagnetyczne.

Najczęściej do produkcji warystorów używa się węglika krzemu (SiC) lub tlenku cynku (ZnO), zestawienia wyników ich charakterystyk napięciowo-prądowych przedstawione są w punkcie drugim sprawozdania.

1. Zestawienie wyników charakterystyk napięciowo-prądowych warystorów, wraz z wykresami U=f(I) i R=f(U) w skali liniowej oraz podwójnie logarytmicznej i wyznaczeniem współczynnika nieliniowości β

Obiekt badań	U	Log U	I	Log I	R	T
	V	-	µA	-	MΩ	̊C
Warystor zbudowany z tlenku cynku (ZnO)	150	2,18	0,0343	-1,4652	4378	Temperatura pokojowa
	200	2,30	0,0464	-1,3330	4306
	250	2,40	0,0593	-1,2270	4216
	300	2,48	0,0719	-1,1432	4172
	350	2,54	0,0816	-1,0881	4287
	400	2,60	0,1029	-0,9874	3886
	450	2,65	0,1241	-0,9063	3627
	500	2,70	0,1496	-0,8250	3342
	550	2,74	0,1792	-0,7468	3070
	600	2,78	0,2116	-0,6744	2835
	650	2,81	0,2661	-0,5750	2443
	660	2,82	0,2750	-0,5607	2400
	670	2,83	0,2866	-0,5428	2338
	680	2,83	0,3009	-0,5216	2260
	690	2,84	0,3148	-0,5020	2192
	700	2,85	0,3288	-0,4831	2129
Warystor zbudowany z węglika krzemu (SiC) d = 22 mm	50	1,70	20	-4,6990	2,500	Temperatura pokojowa
	100	2,00	48	-4,3188	2,000
	150	2,18	88	-4,0555	1,700
	200	2,30	143	-3,8447	1,400
	250	2,40	225	-3,6478	1,100
	300	2,48	345	-3,4622	0,870
	350	2,54	513	-3,2899	0,680
	400	2,60	760	-3,1192	0,530
	450	2,65	1200	-2,9208	0,375
	500	2,70	1750	-2,7570	0,290
Warystor zbudowany z węglika krzemu (SiC) d = 11 mm	50	1,70	35	-4,4559	1,430	Temperatura pokojowa
	100	2,00	100	-4,0000	1,000
	150	2,18	225	-3,6478	0,670
	200	2,30	447	-3,3497	0,450
	250	2,40	790	-3,1024	0,320
	300	2,48	1330	-2,8761	0,230
	350	2,54	2200	-2,6576	0,160
	400	2,60	3600	-2,4437	0,110
	450	2,65	5650	-2,2480	0,080
	500	2,70	8300	-2,0809	0,060

1. Wyznaczenie współczynnika nieliniowości β oraz wykresy dla warystora zbudowanego z tlenku cynku (ZnO)

1. W skali liniowej:

2. W skali podwójnie logarytmicznej:

3. Wyznaczenie współczynnika nieliniowości β:

- wartości napięcia: 150V oraz 500V

- wartości natężenia: 0,0343 µA oraz 0,1496 µA

$\beta = \frac{\log\frac{U_{1}}{U_{2}}}{\log\frac{I_{1}}{I_{2}}} = \ LINK\ Excel.Sheet.12\ "C:\backslash\backslash Users\backslash\backslash Masakrator\ lewakow\backslash\backslash Desktop\backslash\backslash EXCEL\ LABORKI\ 2.xlsx"\ "Arkusz1!W30K16"\ \backslash a\ \backslash f\ 5\ \backslash h\ \ \backslash*\ MERGEFORMAT\ $0,8168

2.2 Wyznaczenie współczynnika nieliniowości β oraz wykresy dla warystora zbudowanego z węglika krzemu (SiC) d = 22 mm

a) W skali liniowej:

b) W skali podwójnie logarytmicznej:

3. Wyznaczenie współczynnika nieliniowości β:

- wartości napięcia: 100V oraz 500V

- wartości natężenia: 48 µA oraz 1750µA

$\beta = \frac{\log\frac{U_{1}}{U_{2}}}{\log\frac{I_{1}}{I_{2}}} = \ LINK\ Excel.Sheet.12\ "C:\backslash\backslash Users\backslash\backslash Masakrator\ lewakow\backslash\backslash Desktop\backslash\backslash EXCEL\ LABORKI\ 2.xlsx"\ "Arkusz1!W30K16"\ \backslash a\ \backslash f\ 5\ \backslash h\ \ \backslash*\ MERGEFORMAT\ $0,4475

1. Wykresy dla warystora zbudowanego z węglika krzemu (SiC) d = 11 mm

1. W skali liniowej:

b) W skali podwójnie logarytmicznej:

c) Wyznaczenie współczynnika nieliniowości β:

- wartości napięcia: 100V oraz 500V

- wartości natężenia: 100 µA oraz 8300µA

$\beta = \frac{\log\frac{U_{1}}{U_{2}}}{\log\frac{I_{1}}{I_{2}}} = \ LINK\ Excel.Sheet.12\ "C:\backslash\backslash Users\backslash\backslash Masakrator\ lewakow\backslash\backslash Desktop\backslash\backslash EXCEL\ LABORKI\ 2.xlsx"\ "Arkusz1!W30K16"\ \backslash a\ \backslash f\ 5\ \backslash h\ \ \backslash*\ MERGEFORMAT\ $0,3642

1. Zestawienie wyników charakterystyki rezystancyjno-temperaturowej warystora zbudowanego z węglika krzemu (SiC) d = 11 mm wraz z wykresem

1. Wnioski

Warystory mają nieliniową charakterystykę rezystancji, co wynika z ich ziarnistej struktury. Powierzchnie wielu styków ziaren działają jako pewnego rodzaju złącza półprzewodnikowe i tworzą długie łańcuchy. Całkowity spadek napięcia zależy od wielkości ziarna i grubości warystora. Aż do pewnego napięcia charakterystycznego, warystor będzie miał wysoką rezystancję, lecz przekroczeniu napięcia progowego warystora, przepływający prąd wzrasta w sposób logarytmiczny, tzn. wartość rezystancji zmniejsza się.

Spośród przebadanych trzech warystorów, najmniej skutecznym okazał się być ten, zbudowany na bazie tlenku cynku, przy jego współczynniku nieliniowości β wynoszącym aż 0,8168. Dla warystora zbudowanego z węglika krzemu o grubości 22mm współczynnik ten był prawie o połową mniejszy, natomiast dla dwukrotnie cieńszego, wykonanego z tych samych materiałów wynosił zaledwie 0,3642. Należy jednak pamiętać że warystor zbudowany na podstawie tlenku cynku był znacznie większy od dwóch pozostałych. Im warystor mniejszy, tym jest bardziej skuteczny, jednak wykazuje przy tym dużo mniejszą rezystancję początkową.

Ponadto przebadany warystor zbudowany z węglika krzemu (SiC) d = 11 mm wykazał bardzo ciekawą zależność rezystancji warystora od jego temperatury, mianowicie rezystancja gwałtownie malała wraz ze wzrostem temperatury aż do 70 ̊C, dopiero później, tzn. przy dalszym wzroście temperatury, rezystancja zaczynała powoli wzrastać.