ĆWICZENIE 5 Badanie Warystorów β = β I C U = ∙

ĆWICZENIE 5
Badanie Warystorów
Wyznaczanie charakterystyki napięciowo-prądowej warystora
Warystory są półprzewodnikowymi rezystorami zmiennoporowymi o nieliniowej charakterystyce napięciowoprądowej, których rezystancja maleje ze wzrostem doprowadzonego do nich napięcia. Właściwość tę wykazują np.
materiały zawierające polikrystaliczny węglik krzemu - SiC o różnej ziarnistości i różnych domieszkach, związany
różnego rodzaju lepiszczami, oraz niektóre materiały ceramiczne (tlenkowe) a wśród nich najważniejszy – tlenek
cynku (ZnO) spiekany z nieznaczna ilością tlenków innych metali (Bi, Co, Mn, Sb).
Charakterystyka prądowo – napięciowa warystorów wyróżnia się znaczną nieliniowością: zwiększenie napięcia
prowadzi do silnego zmniejszenia rezystancji i gwałtownego wzrostu prądu.
Rys. 1. Charakterystyka napięciowo-prądowa warystora
Rys. 2. Charakterystyka prądowo – napięciowa w skali
logarytmicznej dwóch warystorów 280 V: obniżonej jakości
(kwadraty) oraz dobrej jakości (okręgi)
Charakterystykę napięciowo-prądową warystora (Rys. 1) można określić współczynnikiem nieliniowości β
zdefiniowanym jako:

dR dU I '

R
dI U '
(1)
Jest on określany jako stosunek rezystancji różniczkowej do rezystancji statycznej w danym punkcie
charakterystyki. Dla rezystancji o charakterystyce liniowej β =1. Im większa nieliniowość charakterystyki tym β jest
mniejszy. Współczynnik β można wyznaczyć również ze wzoru dla dwóch wartości prądów i napięć na
charakterystyce:
(2)
Zakładając, że w danym warystorze w przedziale gęstości prądu (np. od 10-4 A∙cm-2 do 1 A∙cm-2) współczynnik
β na charakterystyce logarytmicznej (Rys. 2) jest stały β = const, to po scałkowaniu otrzymuje się zależność:
lub
lg U    lg I  lg C
(3)
I  C U 
(4)
przy czym współczynnik C zależy od wymiarów, a współczynnik β od materiału warystora (od kontaktów pomiędzy
ziarnami struktury warystora). Jak wynika ze wzoru (4) w obszarze przewodzenia (przebicia warystora) prąd stały I
płynący przez strukturę warystora jest silnie nieliniowo zależny od przyłożonego napięcia stałego U.
Współczynnik β jest to nachylenie względem osi y charakterystyki napięciowo - prądowej warystora narysowanej w
podwójnej skali logarytmicznej (Rys. 2). Współczynniki β warystorów SiC zawierają się zwykle w granicach 0,12 ÷
0,80, a warystorów ZnO w granicach 0,05 ÷ 0,08. Charakterystyki warystorów przedstawia się zazwyczaj w skali
logarytmicznej (Rys. 2).
Technologia produkcji warystorów polega na dokładnym, wieloetapowym mieszaniu wszystkich składników:
tlenku cynku (ZnO) - stanowiącego główny składnik masy warystora, z odpowiednimi domieszkami, głównie tlenku
bizmutu, manganu, chromu lub/oraz tlenków innych metali. W celu uzyskania jednorodnej struktury produktu
wymagana jest duża czystość i dokładne rozmiary ziaren.. Mikrostruktura warystorów ma wpływ na właściwości
elektryczne. Aby warystor nie wykazywał defektów i charakteryzował się dobrymi parametrami oraz wysoką
jakością, tlenek cynku powinien posiadać mikronowe ziarna pozbawione mikroporów.
W elemencie warystorowym krystaliczne ziarna ZnO powinny być jednorodne. Zazwyczaj mają wymiar ok. 10 μm i
posiadają rezystywność od 1∙cm do 10∙cm. W warystorach tlenkowych w elemencie warystorowym krystaliczne
ziarna ZnO o wymiarach ok. 10 μm i rezystywności od 1 Ω∙cm do 10 Ω∙cm mają charakter półprzewodnika typu n i są
rozdzielone tlenkami metali o strukturze spinelowej (np. Zn7 Sb2 012), wymiarach ok. 3 μm i rezystywności rzędu 1010
Ω∙cm. Ziarna nie mogą podlegać zaglomerowaniu. Jeżeli występują skupiska kilku-mikronowych ziaren rozdzielonych
kilkunasto-mikronowymi ziarnami powoduje niejednorodny rozpływ prądu w warystorze.
a)
b)
Rys. 3. Mikrostruktury warystorów: niejednorodna (a) oraz bardziej jednorodna (b)
Na Rys. 4. Przedstawiono w sposób poglądowy charakterystykę prądowo-napięciową warystora ZnO dla dwóch
kierunków polaryzacji napięcia. W zakresie niskich napięć (prądów) rezystancja warystora osiąga dziesiątki M, zaś
w zakresie działania (duże wartości prądu) spada nawet do ułamków .
Rys. 4. Przykładowa charakterystyka prądowo-napięciowa warystora ZnO dla dwóch kierunków polaryzacji napięcia
Wraz ze zmianą temperatury pracy charakterystyka warystora ulega przesunięciu.
Program pracy
1. Załączyć piec grzewczy na temperaturę 80oC
2. Dokonać oglądu przekroju warystora pod mikroskopem i zarejestrować widok
3. Wykonać przyrządem MEGGER BM 25 pomiary charakterystyk 1-minutowe dla 10 wartości napięć od 50V do
800V (początkowo co 100V a od 450V co 50V)
4. Na podstawie pomiarów wykreślić charakterystykę I=f(U) w temperaturze pokojowej
5. Powtórzyć pomiary dla temperatury 80oC w piecu.
6. Zaobserwować i opisać przesunięcie charakterystyki
Zastosowanie warystorów:
Warystory tlenkowe ZnO sa podstawowymi elementami urządzeń ograniczających przepięcia SPD (ang. Surge
Protective Device) w sieciach elektroenergetycznych niskich, średnich i wysokich napięć. W urządzenia tych
wykorzystywana jest podstawowa właściwość warystorów, jaką jest malejąca rezystancja przy wzroście płynącego
przez nie prądu. Warystory wykorzystywane są do ochrony przeciw przepięciowej (np. zabezpieczenia przed krótkimi
przepięciami, które powstają podczas burz lub podczas przełączania obciążeń o charakterze indukcyjnym).
ZAGADNIENIA:
1. Zastosowanie warystorów w elektroenergetyce.
2. Budowa warystora. Wpływ struktury na właściwości elektryczne
3. Charakterystyki prądowo-napięciowe i parametry warystorów
LITERATURA
[1] Celiński Z.: Materiałoznawstwo elektrotechniczne
[2] Hasse L., i inni: System do badań nieniszczących warystorów metodą rezonansowej spektroskopii
ultradźwiękowej. Zeszyty naukowe Wydziału EiA Politechniki Gdańskiej, Nr 25 (rok 2008),
www.ely.pg.gda.pl/zn/pobieranie.php?artykul=237
[3] Mielcarek W.: Uwarunkowania technologiczne warystorów tlenkowych, Prace Instytutu Elektrotechniki,
212/2002 http://195.187.94.6/pliki/ogolne/prace%20IEL/212/01.pdf