ĆWICZENIE 09. Warystory, Elektrotechnika AGH, Semestr III zimowy 2013-2014, semestr III, semestr III, ...
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
//-->ĆWICZENIE9Badanie charakterystykrezystorów nieliniowychCharakterystykaćwiczeniaWarystory są rezystorami nieliniowymi, których zakres zastosowańw elektrotechnice w ostatnich latach uległ znacznemu rozszerzeniu. Stałosię tak dzięki opracowaniu warystorów z tlenków metali, wyróżniającychsię silnie nieliniową charakterystyką napięciowo-prądową. Warystorytakie są stosowane powszechnie do ochrony urządzeń elektrycznychniskiego jak i wysokiego napięcia od przepięć. Są one wytwarzanez materiałów półprzewodzących. Wćwiczeniuprezentowane są różnerodzaje warystorów nisko- i wysokonapięciowych, dla których wyko-nywane są pomiary charakterystyk statycznych. Na tej podstawie należywyznaczyć charakterystyczne parametry materiałowe.CelćwiczeniaCelemćwiczeniajest zapoznanie z własnościami wybranej grupyrezystorów nieliniowych. W wyniku pomiarów należy wyznaczyć, napodstawie serii pomiarów, podstawowe charakterystyk i parametrystatyczne kilku rodzajów warystorów.Ćwiczenie9: Badanie charakterystyk rezystorów nieliniowych - warystory1. WPROWADZENIEWarystory są elementami układów elektrycznych charakteryzującymi się silnienieliniową charakterystyką napięciowo-prądową. W chwili obecnej stosowane sąróżne rodzaje warystorów o różnym stosowanym bazowym materialepółprzewodnikowym najczęściej:– warystory z tlenków metali,– warystory z węglika krzemu.Pierwszy rodzaj warystorów, bardziej nowoczesnych, zawiera głównietlenek cynku (ZnO) z kształtującymi własności elektryczne domieszkamitlenków innych metali. Są to głównie tlenki bizmutu (Bi2O3), kobaltu (Co2O3),manganu (MnO2), antymonu (Sb2O3) i tlenek glinu (Al2O3). Tlenek cynkustanowi ponad 90 % masy, tlenek bizmutu-kilka procent, zaś tlenki innychmetali zajmują nie więcej niż l % objętości warystorów. Masa warystorów jestotrzymywana w wyniku procesu spiekania wszystkich składników w wysokiejtemperaturze. W takich warunkach powstają ziarna, których wnętrza zawierajągłównie tlenek cynku. Skład chemiczny warstw przy powierzchniach ziaren jestjednak odmienny od składu wnętrza ziaren. Spiekanie ceramicznych kształtekwarystorów odbywa się w temperaturze wyższej od temperatury topnienia tlenkubizmutu. Po ostygnięciu tlenek bizmutu wypełnia przestrzeń między ziarnami ztlenku cynku tworząc zewnętrzne warstwy izolacyjne na ziarnach. Część tlenkówjestźródłemdomieszek donorowych lub akceptorowych. Na przykład jonykobaltu lub glinu dyfundują do tlenku cynku podczas spiekania jako domieszkidonorowe. Niektóre tlenki wpływają na wzrost ziaren z tlenków metali.Średniceziaren masy warystorów wynoszą od 1µmdo 10µm,zaś grubości warstwmiędzy ziarnami zawierają się w przedziale od 0,005µmdo 0,01µm.Wyidealizowaną i rzeczywistą strukturę warystorów przedstawiono schema-tycznie na rysunku 1.2Ćwiczenie9: Badanie charakterystyk rezystorów nieliniowych - warystory321321Rys. 1.Mikrostruktura warystora z tlenków metali:a - struktura wyidealizowana, b - struktura rzeczywista:1 - ziarna z tlenków metali, 2 - warstwa między ziarnami,3 - elektrody metaloweRezystywność wnętrza ziaren z tlenków metali jest niewielka. Nieprzekracza ona l0–2Ωm.O kształcie charakterystyk napięciowo-prądowychwarystorów decydują zjawiska zachodzące na granicach pomiędzy ziarnami.W obszarach przy granicach ziaren istnieją bariery potencjału wpływające nawartość natężenia prądu., a wynikające z gromadzonego na powierzchniachgranicznychładunkuelektrycznego. Efektem tych zjawisk są silnie nieliniowecharakterystyki napięciowo-prądowe, których typowy kształt związany jestz zależnością natężenia pola elektrycznegoEod gęstości prądujw warystorze(rys. 2). Na charakterystyce tej można wyróżnić trzy zakresy: przedprzebiciowy(A), przebiciowy (B) i nasycenia (C).W zakresieAtj. przy małym napięciu płynący prąd jest niewielki i niepowoduje nadmiernego wzrostu temperatury warystora. W normalnychwarunkach pracy obwodów elektrycznych warystory pracują właśnie w tymcharakterystyki. Przepływ prądu w warystorze jest regulowany przez barierępotencjału istniejącą na granicach między ziarnami. Osiągnięcie przez elektronenergii dostatecznej do przedostania się przez barierę jest możliwe tylko naskutek jonizacji termicznej. Im wyższa jest temperatura otoczenia tym więcejelektronów może przedostać się przez barierę. Dlatego charakterystykanapięciowo-prądowa warystorów w zakresieAjest zależna od temperatury.3Ćwiczenie9: Badanie charakterystyk rezystorów nieliniowych - warystory10000E [Vcm-1]1000ABC12310010-91010-710-510-310-1j [A cm-2]101103Rys.2.Charakterystyka E=f(j) warystora:A - zakres przedprzebiciowy, B - zakres przebiciowy, C - zakres nasycenia1 - 20oC, 2 - 110oC, 3 - 150oCGdy w wyniku zwiększenia napięcia doprowadzonego dowarystora, a więc wzrostu natężenia pola elektrycznego, energieelektronów są odpowiednio duże, to wtedy możliwe jest wybijanie przezelektrony nowych elektronów z pasma walencyjnego w wyniku zjawiskajonizacji zderzeniowej. Powstają paryładunkówzjonizowanych:elektron-dziura. Dziury, jakoładunkimniejszościowe dodatnie,powodują,żecharakterystyka w przedziale B (rys.2) jest silnienieliniowa. Dziury podążają bowiem do naładowanej ujemnie warstwypowierzchniowej i neutralizują zgromadzony tamładunek.W wynikutego procesu następuje zmniejszenie wysokości bariery potencjałui wzrost prądu płynącego przez warystor.Podczas przepływu udarów prądowych o dużych wartościachmaksymalnych (zakres C) gęstości prądów w warystorach mogą byćznacznie większe niż w zakresie B. Warystor przechodzi wówczas w tzw.stan nasycenia. W stanie tym charakter zależności napięciowo-prądowej jestpraktycznie liniowy w wyniku dużego wpływu spadku napięcia na wnętrzachziaren na całkowite napięcie na warystorze. Bariera potencjału na granicyziaren w tym zakresie pracy warystora zachowuje się tak samo jakw obszarze przebicia (B).Warystory z węglika krzemu są wytwarzane metodą spiekania.Podstawowym składnikiem materiałów, z których są one wykonywanejest węglik krzemuSiC(karborund) w postaci polikrystalicznej,zawierający niewielkie ilości różnych domieszek i zanieczyszczeń.Właściwości tych warystorów są zależne głównie od rodzaju i zawartościzanieczyszczeń oraz od stosowanej technologii wytwarzania. Kształt4Ćwiczenie9: Badanie charakterystyk rezystorów nieliniowych - warystorycharakterystyki napięciowo-prądowej spieków z węglika krzemuw początkowym zakresie jest zależny głównie od domieszekżelazai glinu.Struktura warystorów z węglika krzemu ma postać mocnoupakowanych ziaren. O przewodnictwie prądu w materiale warystoradecydują głównie zjawiska zachodzące w cienkich warstwach (o grubościachod 0,01µm do 0,001µm) położonych przy powierzchni ziaren. Odznaczają sięone dużymi wartościami rezystywnościi. Warstwy te zawierają głównie SiO2.W tych obszarach istniejeładunekelektryczny przestrzenny tworzący barierępotencjału dla elektronów. Gdy napięcie na warystorze jest niewielkiezależność między napięciem a prądem jest praktycznie liniowa. Przy dalszymzwiększaniu napięcia gęstość prądu w warystorze wzrasta szybciej niżnapięcie. Ten wzrost prądu następuje, gdy napięcie na warstwie zaporowejosiągnie wartość równą pracy wyjścia elektronów. Zwiększający się prąddodatkowo nagrzewa warstwy przy powierzchni prowadząc do wzrostukonduktywnościidodatkowegoprzyrostuprądu.Zwiększeniekonduktywności elektrycznej materiału warystora wynika również z zjawiskaemisji elektronów, występującego przy dużych wartościach natężenia polaelektrycznego na styku ziaren.Podstawowe parametry warystorówTypową statyczną charakterystykę napięciowo-prądową warystoraprzedstawiono na rys. 3. Charakterystykę tę przedstawia się zwykle w skalilogarytmicznej. Można w niej wyróżnić obszary, w których zależnośćnapięciowo-prądową przedstawiają proste o różnych kątach nachylenia.UdUUlg UIdIIlg IRys. 3.Charakterystyka statyczna napięciowo-prądowa U = f(I) warystora:a–charakterystyka w skali liniowej,b – charakterystyka w skali logarytmicznej5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]