1tom097

5. MATERIAŁOZNAWSTWO ELEKTROTECHNICZNE 196

Rys. 5.9. Charakterystyki napięciowo-prądowe warystora, wg [5.4]: a) statyczna w skali liniowej; b) statyczna w skali półlogarytmicznej; c) dynamiczna przy przebiegu udarowym

Wielkości C i fi można przyjąć w przybliżeniu za stałe w danym obszarze. Obie te wielkości nie zależą praktycznie od wymiarów elementu.

Istotną cechę warystora stanowi nagły wzrost gęstości prądu po osiągnięciu określonego natężenia pola elektrycznego. Dla każdego typu warystora podaje się wartość charakterystyczną napięcia U¹, która odnosi się do drugiego obszaru krzywej na rys. 5.9b. Prąd w pierwszym obszarze tej krzywej nosi nazwę prądu upływu (ang. leakage currem).

Charakterystyki napięciowo-prądowe dynamiczne różnią się od statycznych, szczególnie przy przebiegach impulsowych (udarowych) i w ogólnym przypadku zależą "od przebiegu napięcia w czasie. Przykład charakterystyki dynamicznej przebiegu udarowego przedstawiono na rys. 5.9c. Najwyższa wartość napięcia na tej krzywej nosi nazwę napięcia obniżonego.

Stałe C i p w pierwszej części charakterystyki z rys. 5.9b zależą od temperatury; ze wzrostem temperatury prąd upływu wzrasta (rezystywność maleje), podobnie jak w ty-pow^rych półprzewodnikach. Druga część charakterystyki zależy w małym stopniu od temperatury.

Pod wpływem długotrwałego napięcia stałego, a także przy wielokrotnym doprowadzaniu napięcia impulsowego o jednej biegunowości, charakterystyka napięciowo-prądowa warystora ulega zmianie. Zwiększa się wówczas prąd upływu i obniża wartość charakterystyczna napięcia U_c oraz. występuje asymetria charakterystyki względem kierunku pola elektrycznego. Zmiany te określa się jako degradację warystora.

Przy długotrwałym oddziaływaniu napięcia przemiennego degradacja również następuje, lecz charakterystyka pozostaje symetryczna względem środka układu współrzędnych. Zmiany charakterystyki ustępują, jeśli warystor zostanie poddany wygrzewaniu w odpowiedniej temperaturze.

Charakterystyka dynamiczna warystora w- stanie początkowym bywa na ogół niestabilna, szczególnie w przypadku napięć udarowych. Stabilność charakterystyki uzyskuje się po tzw. formowaniu warystora, które polega na kilkakrotnym doprowadzeniu napięcia udarowego o określonym kształcie.

Warystory są wytwarzane metodą spiekania. Do niedawna podstawowym składnikiem materiałów, z których wykonywano warystory był węglik krzemu SiC (karbo-rund) w postaci polikrystalicznej o różnego rodzaju zanieczyszczeniach i domieszkach. Pomimo pozornie prostej metody wytwarzania (redukcja dwutlenku krzemu Si0₂+ 3C = SiC+2CO), mało uchwytne pogorszenie jakości surowców (zwłaszcza pod względem zanieczyszczeń) oraz technologii wytwarzania może spowodować znaczny rozrzut właściwości elektrycznych warystora (zmiany współczynnika nieliniowości fi). Właściwości te zależą ponadto od udziału w materiale poszczególnych odmian krystalograficznych SiC (znanych jest 7 odmian). Różnice mogą być również spowodowane przez występujące w materiale zakłócenia składu stechiometryczncgo.

W zależności od domieszek (głównie Fe i Al) konduktywność spieków SiC w pierwszym obszarze charakterystyki napięciowo-prądowej może wynosić 10²-?-10¹⁴ S/m.

W technice wysokich napięć warystory na bazie wąglika krzemu są stosowane w zaworowych iskiernikowych ogranicznikach przepięć². Elementy stosu zmiennooporowego wykonuje sie z tzw. karborundu czarnego, zawierającego domieszki pierwiastków należących do III grupy układu okresowego, takie jak: B, Al, Ga, In, Co, Mg z dodatkiem A!,0₃ jako lepiszcza. Współczynnik nieliniowości fi tych elementów wynosi w pierwszym obszarze charakterystyki _napięciowo-prądowej 0,3-t-0,5, w drugim obszarze zaś 0,1 -t-0,23. Rezystory sterujące są wykonywane z tzw. karborundu zielonego, zawierającego domieszki pierwiastków z V grupy układu okresowego, takie jak: N, P, As, Sb, B, Fe o rezystywności większej niż karborundu _z lepiszczami na bazie szkła wodnego lub z osnowami ceramicznymi z kaolinu, związku magnezu i baru.

W drugiej połowie lat sześćdziesiątych odkryto, że znacznie lepsze właściwości niż. SiC wykazują tworzywa ceramiczne, których głównym składnikiem jest tlenek cynku ZnO. Duża rezystywność tych warystorów w pierwszym obszarze charakterystyki napięcio-_Wo-prądowej i mały współczynnik nieliniowości w drugim obszarze (wynoszący 0,03-^0,02) dały podstawę do skonstruowania zaworowych beziskiernikowych ograniczników przepięć.

5.4.6. Termistory

Termistorami są nazywane elementy półprzewodnikowe, których rezystancja silnie zależy od temperatury. Zależność rezystancji od temperatury jest podstawą podziału termistorów na trzy grupy. Rozróżnia się zatem:

—    termistory o ujemnej wartości temperaturowego współczynnika rezystancji a_r (—2-.— 8%/K), oznaczane literami NTC (ang. Negative Temperaturę Coefficient);

—    termistory o dodatniej wartości a_T (+5-^-1-70%/K), oznaczane literami PTC (ang. Positive Temperaturę Coefficient);

—    termistory o prawic skokowym zmniejszaniu się rezystancji w kilkustopniowym przedziale zmian temperatury, oznaczane literami CTR (ang. Critical Temperaturę Resistor). Termistory NTC są wytwarzane ze spieków: Fe₂0₃-Ti0₂, NiO-Li₂0, Mg0-Ti0₂,

MgO-AI₂0₃ i in. Rezystancja termistora NTC zależy od temperatury wg wzoru

(5.5)

gdzie: R_T — rezystancja w temperaturze T, K; R₂₉₈ — rezystancja w 298 K (25^CC) podawana w katalogach najczęściej jako R₂₅; # — stała podawana w katalogach.

Decydującą rolę w przewodzeniu prądu przez termistor NTC odgrywa bariera potencjału na granicy ziaren spieku. A zatem, im bardziej drobnoziarnisty spiek, tym jego rezystancja R_2} jest większa.

Termistory PTC są materiałami ceramicznymi wytwarzanymi z polikrystalicznego tytanianu baru BaTiÓ₃ lub z roztworu stałego BaTi0₃-SrTi0₃. Obie wymienione substancje są ferroelektrykami o dużej, zależnej od temperatury, względnej przenikalności elektrycznej i:_r. Właściwości półprzewodników uzyskują one w wyniku domieszkowania różnymi pierwiastkami. O charakterystyce rezystancji termistora PTC decydują zjawiska na granicy ziaren. W niższych temperaturach ładunek przestrzenny, wywołany polaryzacją spontaniczną, powoduje znaczne obniżenie bariery potencjału na granicy ziaren, a tym samym zmniejszenie rezystancji. Po przekroczeniu temperatury 3, polaryzacja spontaniczna zaczyna zanikać (e, maleje), a po przekroczeniu >9₂ — równej w przybliżeniu temperaturze Curie T_c ferroelektryku — całkowicie zanika. Dzięki temu, w zakresie temperatur 3j-t-3₂ następuje duży wzrost rezystancji termistora PTC, na ogół o kilka rzędów (10³ -t-10⁴), co jest wykorzystywane do celów technicznych. Poniżej termistor PTC tna właściwości warystora. Powyżej 9₂ rezystancja termistora maleje ze wzrostem temperatury.

Termistory CTR wykonuje się ze spieków polikrystalicznego tlenku wanadu lub tytanu, w pewnej temperaturze struktura tych substancji ulega przemianie, która powoduje m.in.

1

W technicznej literaturze anglosaskiej występuje określenie hreakdown wltage, tzn. napięcie przebicia. Przyjęcie tej nazwy w technicznym słownictwie polskim nie wydaje się słuszne, ponieważ nagły wzrost przewodnictwa w tym przypadku nie pociąga za sobą zniszczenia materiału.

2

Do 1994 r. stosowano nazwę odgromnik (przyp. Red.).