13. Варисторы: характеристика и применение.

Варисторы представляют собой полупроводниковые резисторы, сопротивление которых начинает резко падать, если приложенное напряжение увеличивается сверх определенного значения.

Для изготовления варистора применяют порошкообразный карбид кремния (полупроводник) или оксида цинка ZnO и связующее вещество (глину, жидкое стекло, лаки, смолы и др.), которые запрессовывают в форму и спекают в ней при температуре около 1700° С. Затем поверхность образца металлизируют и припаивают к ней выводы.

Конструктивно варисторы выполняются обычно в виде дисков, таблеток, стержней; существуют бусинковые и плёночные варисторы. Широкое распространение получили стержневые подстроечные варисторы с подвижным контактом.

Вольтамперная характеристика варистора симметрична относительно начала осей координат.

Нелинейность характеристик варисторов обусловлена локальным нагревом соприкасающихся граней многочисленных кристаллов карбида кремния (или иного полупроводника). При локальном повышении температуры на границах кристаллов сопротивление последних существенно снижается, что приводит к уменьшению общего сопротивления варисторов.

Уменьшение R с ростом напряжения связано с падением сопротивления контактов между зернами SiC или оксида. Это происходит вследствие нелинейного роста тока через p-n-переходы, образующиеся на этих контактах, в результате автоэлектронной эмиссии из острых участков зерен.

Один из основных параметров варистора — коэффициент нелинейности λ — определяется отношением его статического сопротивления R к динамическому сопротивлению Rd:

(1.27),

где U и I — напряжение и ток варистора. Коэффициент нелинейности лежит в пределах 2-10 у варисторов на основе SiC и 20-100 у варисторов на основе ZnO

Другими основными параметрами варисторов являются классификационное напряжение Uкл, максимально-допустимая выделяемая энергия W и средняя рассеиваемая мощность Рср.

Напряжение Uкл соответствует току через варистор, равному 1 мА. Варисторы всегда работают при напряжениях выше Uкл, т.к. основное применение варисторов – защита от кратковременных перенапряжений своим шунтирующим воздействием.

Выделяемая в варисторе энергия W нормируется изготовителем для некоторой максимальной продолжительности перенапряжения. Теплоемкости структуры варистора оказывается достаточно, чтобы он не перегрелся от однократно выделенной энергии W за время t. Известно, что энергия связана с мощностью следующим выражением:

, (1.28)

где Р – аналитическое выражение зависимости мощности от времени; t – временной интервал, для которого ведется расчет энергии.

Для прямоугольной формы функции Р формула (2.6) приводится к простому выражению:

W = Pt (1.29)

Из формулы следует, что для варистора с допустимой энергией 1 Дж (диск диаметром 10 мм и массой менее 1 г) при длительности импульса 1 мс, допустимая импульсная мощность равна 1 кВт, а при длительности 1 мкс – 1 МВт.

При наличии повторяющихся импульсных перенапряжений разогрев структуры варистора происходит уже в результате выделения средней мощности:

, (1.29)

где Р – аналитическое выражение зависимости мощности от времени; t – длительность импульса; Т – длительность периода; F – частота следования импульсов (F = 1/T).

Низковольтные варисторы изготавливают на рабочее напряжение от 3 до 200 В и ток от 0,1 мА до 1 А; высоковольтные варисторы — на рабочее напряжение до 20 кВ.

Варисторы применяются для стабилизации и регулирования низкочастотных токов и напряжений, в аналоговых вычислителях — для возведения в степень, извлечения корней и других математических действий, в цепях защиты от перенапряжений (например, высоковольтные линии электропередачи, линии связи, электрические приборы) и др.

Высоковольтные варисторы применяются для изготовления ограничителей перенапряжения.

Как электронные компоненты, варисторы дёшевы и надёжны, способны выдерживать значительные электрические перегрузки, могут работать на высокой частоте (до 500 кГц). Среди недостатков — значительный низкочастотный шум и старение — изменение параметров со временем и при колебаниях температуры.