Нелинейные полупроводниковые резисторы

НПР находят широкое применение в разнообразных современных электронных и электротехнических схемах и оборудовании. В ряде случаев такой прибор может заменить достаточно сложную электронную схему или существенно ее упростить. НПР завоевали широкое признание в связи с их преимуществами перед другими приборами, используемыми для аналогичных целей, такими как высокий уровень температурной чувствительности и уникально высокий уровень импульсной устойчивости (в широком диапазоне напряжений); малые габариты; предельная простота устройства (обычно – керамический диск); стабильность характеристик во времени, высокая надежность; отсутствие необходимости специального ухода за НПР во время эксплуатации, а также экономичность. Керамическая технология, используемая для их изготовления, позволяет варьировать характеристики в широких пределах и изготавливать изделия различных конструктивных исполнений.

В настоящее время ОАО "НИИ "Гириконд" занимается разработкой и изготовлением НПР по следующим направлениям:

I. Терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС).

II. Терморезисторы с положительным температурным коэффициентом сопротивления (позисторы).

III. Резисторы с симметричной высоконелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ) – варисторы.

Характеристики НПР обеспечиваются в первую очередь свойствами полупроводниковых материалов, на основе которых они изготовлены.

Материалы для терморезисторов с отрицательным ТКС изготавливаются, в основном, из смесей окислов марганца, кобальта, никеля, меди и хрома.

Позисторные материалы изготавливаются на основе титаната бария, являющегося при комнатной температуре сегнетоэлектриком и переходящего в параэлектрическое состояние при температуре Кюри ~123С, что и обеспечивает позисторный эффект (увеличение электрического сопротивления на несколько порядков в узком температурном интервале). Изменение температуры переключения обеспечивается введением добавок, смещающих температуру Кюри.

Варисторы изготавливаются на основе оксида цинка. Проблемы достижения требуемой микроструктуры, высокой объемной проводимости решаются при спекании варисторной керамики путем выбора температурных режимов спекания и введением соответствующих малых добавок оксидов Сo, Mn и др. Изменением режимов спекания и состава легирующих добавок можно изменять рабочий градиент электрического поля в керамике в пределах от 20 до 250 В/мм.

Они имеют экспоненциальную зависимость сопротивления от температуры. Значения их номинального сопротивления могут изменяться в очень широких пределах (от единиц Ом до нескольких МОм), при этом температурный коэффициент сопротивления составляет, примерно, (-1,5 … - 6) % /К при 25С. Это достигается за счет изменения соотношения исходных окислов в полупроводниковом материале.

Терморезисторы с отрицательным ТКС применяются для измерения и регулирования температуры (в частности, в качестве высокостабильных датчиков температуры) и температурной компенсации, а также для ограничения пусковых токов систем, (например, в источниках вторичного электропитания) на рабочий ток 0,2 … 15 А.

Далее приводятся сведения об основных параметрах терморезисторов.

• 
  Температурная зависимость сопротивления является главной характеристикой ТР. Естественно, что она совпадает с температурной зависимостью удельного сопротивления полупроводника, из которого изготовлен ТР. Эта зависимость в значительной степени определяет остальные характеристики ТР и может быть представлена следующей формулой
  

Для практического расчета величины сопротивления ТР при различных температурах окружающей среды можно пользоваться следующей формулой

R_Т2 = R_Т1 e^В(Т1^-Т2^{) /(Т}1^Т2⁾ (2),

где R_Т1 и R _Т2 – значения сопротивления ТР при температурах Т₁ и Т₂, соответственно (в К);

В – постоянная величина, характеризующая температурную чувствительность полупроводникового материала, а следовательно и температурную чувствительность ТР во всем или в части интервала его рабочих температур(в К);

А – постоянная величина, зависящая от физических свойств материала и габаритов ТР (А=А_уд·ℓ/S, где ℓ – расстояние между электродами, S – площадь поперечного сечения п/п элемента ТР).

Зная значение постоянной В и сопротивление ТР при температуре Т₁ можно рассчитать величину сопротивления ТР при любой рабочей температуре.

• 
  Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) α – это изменение сопротивления ТР при изменении температуры на 1 К (1С) в %.
  

α = –В/Т² ·100% (3),

где В – постоянная в К; Т – температура, при которой задан ТКС в К. Обычно она соответствует температуре, при которой указано номинальное сопротивление ТР.

Как видно из формулы (3), ТКС ТР изменяется в зависимости от температуры, т.е. при повышении температуры абсолютная величина ТКС уменьшается.

• 
  Номинальное сопротивление (R_Н) – электрическое сопротивление, значение которого обозначено на резисторе или указано в нормативной документации и которое является исходным для отсчета отклонений от этого значения (Ом, кОм, МОм). Обычно температура окружающей среды, при которой указывается R_Н – 25С (20С).
  
• 
  Допускаемое отклонение сопротивления ТР (ΔR) – максимально допускаемая разность между измеренным и номинальным сопротивлением, выраженная обычно в % по отношению к номинальному сопротивлению.
  
• 
  Максимальная мощность рассеяния (Р_макс) – это максимально допускаемая мощность рассеяния при заданной температуре в неподвижном воздухе, при которой в течение заданного времени параметры ТР остаются в допустимых пределах. Естественно, что при нагрузке ТР мощностью Р_макс его температура не должна превышать максимальной рабочей температуры. Как правило, максимальная мощность указывается при той же температуре окружающей среды, что и номинальное сопротивление. При увеличении температуры окружающей среды мощность рассеяния должна быть снижена по линейному закону до допускаемой мощности рассеяния при повышенной температуре среды, указанной в нормативно-технической документации (НТД).
  
• 
  Коэффициент рассеяния мощности (Н) – численно равен мощности, рассеиваемой на ТР при разности температур ТР и окружающей среды в 1С, мВт/ С.
  
• 
  Коэффициент энергетической чувствительности (G) – численно равен мощности, которую необходимо рассеять на ТР для уменьшения величины его сопротивления на 1%, в мВт.
  

• 
  Тепловая постоянная времени () – величина характеризующая тепловую инерционность ТР в секундах. Численно равна времени, необходимому для того, чтобы температура ТР изменилась на 63,2 % от разности его начальной (как правило, +85С) и конечной температур (+25С), или разности температур ТР и окружающей среды.
  
• 
  Статическая вольт-амперная характеристика терморезистора (ВАХ) является одной из важнейших характеристик ТР. Она представляет собой зависимость напряжения, приложенного к выводам ТР, от проходящего через него тока при тепловом равновесии между ТР и окружающей средой.
  

Рис. 1 Типовая статическая ВАХ терморезистора

U²/R = I²R = Н (Т-Т_О.С.) (5),

где Т – температура терморезистора, Т_О.С – температура окружающей среды.

В области А проходящий через ТР ток столь мал, что практически не разогревает его и служит для измерения величины сопротивления. В этой области с достаточной степенью точности выполняется закон Ома. При работе в области А терморезисторы используется как датчики температуры и в схемах температурной компенсации.

В области В сопротивление ТР меняется вследствие разогрева его током. На этом эффекте основано большинство известных областей применения ТР: схемы автоматического регулирования и сигнализации, измерения мощности на ультравысокой частоте, пусковые устройства и т.п. При дальнейшем увеличении тока (область С) происходит тепловое разрушение ТР. Терморезисторы для ограничения пусковых токов работают на границе области В и С.

Области применения ТР, разработанных ОАО "НИИ "Гириконд", в соответствии с приведенной ВАХ делятся на две группы:

1. 
   Области применения, где температура ТР и, следовательно, величина его сопротивления изменяются вследствие изменения температуры или других параметров окружающей среды: измерение температуры, температурная компенсация элементов электрической цепи (ТР-1, ТР-2, ТР-4, ТР-14).
   
2. 
   Области применения, где температура ТР изменяется вследствие разогрева его проходящим током: ограничение пусковых токов, в частности, во вторичных источниках питания (ТР-10, ТР-15).
   

Рис. 2 Температурная зависимость сопротивления позистора

• 
  Основная характеристика позистора – температурная зависимость сопротивления (рис.2), определяемая, при так называемой, "нулевой" мощности, т.е. при мощности, не вызывающей дополнительного разогрева прибора.
  

R_н – номинальное сопротивление, измеряемое, как правило, при 25С;

R_мин – минимальное сопротивление;

Т_пер – температура переключения, соответствующая началу области положительного ТКС (ее определяют как температуру, при которой сопротивление увеличивается в два раза по отношению к R_н или R_мин), определяется составом материала;

Т_макс (Т_макс > Т_пер) – максимальная температура, точка в верхней части области резкого увеличения сопротивления, зависит от состава материала и конструктивных особенностей изделий (типа используемого припоя, наличия и типа изоляционного покрытия и т.п.).

• 
  Большое значение имеют и такие параметры, как кратность изменения сопротивления и температурный коэффициент сопротивления
  

• 
  Другая важная характеристика позистора – статическая ВАХ, описывающая его поведение под воздействием электрической нагрузки в условиях теплового равновесия с окружающей средой (рис.3).
  

Рис. 3 Статическая ВАХ позисторов

• 
  ток опрокидывания I_опр (trip current) – максимальный ток ВАХ, при котором выделяемая в позисторе мощность достаточна для его разогрева выше температуры фазового перехода Т_пер;
  
• 
  номинальный ток, I_ном (rated current), I_ном < I_опр, обычно I_ном (0,50 … 0,65) I_опр; при токах I ≤ I_ном сопротивление позистора низкое, так как он не разогрет до температуры фазового перехода;
  
• 
  ток срабатывания, I_сраб (switching current), I_сраб > I_опр, обычно I_сраб ≈1,4 I_опр; при токах I ≥ I_сраб сопротивление позистора резко возрастает с увеличением температуры;
  
• 
  максимальный ток, I_макс – максимально допустимый пусковой ток, при превышении которого позистор может разрушиться;
  
• 
  максимальное напряжение, U_макс или напряжение, которое может быть приложено к позистору в течение длительного времени;
  
• 
  остаточный ток, I_ост – ток позистора при максимальном напряжении U_макс;
  
• 
  время срабатывания t – время спада тока, протекающего через позистор, в два раза (в области вольт-амперной характеристики, где I > I_сраб).
  

По областям применения позисторы делятся на две группы:

- резисторы, работающие в условиях воздействия электрической нагрузки и используемые в качестве предохранителей в схемах защиты от перегрузок по току и напряжению (ТРП-19, ТРП-27); переключателей в схемах пусковых устройств; автостабилизирующих нагревательных элементов в схемах размагничивания и задержки (ТРП-14, ТРП-16, ТРП-17, ТРП-18, ТРП-22, ТРП-24, ТРП-24М);

- датчики температуры, предназначенные для схем защиты от перегрева, измерения и контроля температуры, температурной защиты электрических машин и систем пожарной сигнализации (ТРП-10).

Их пороговое (или классификационное) напряжение, измеряемое при токе 1 мА, составляет 10 … 10 000 В. Используются варисторы в электронной и электротехнической аппаратуре для защиты от импульсных перенапряжений (грозовые разряды, коммутационные и электромагнитные импульсы). Их рабочее напряжение от 10 В до нескольких киловольт (при последовательном соединении), допустимый импульсный ток достигает нескольких килоампер при защитном отношении U_макс/U_кл ~ 1,5 … 2,5.

В силу симметричности высоконелинейной вольт-амперной характеристики при уникально высокой импульсной устойчивости в широком диапазоне напряжений оксидно-полупроводниковые варисторы в настоящее время являются практически единственным доступным и массовым быстродействующим средством защиты сложных и дорогостоящих полупроводниковых систем различного назначения (время срабатывания от ~ 0,5 до 50 нс).

Принцип работы варисторов заключается в резком уменьшении их полного сопротивления (импеданса) при воздействии перенапряжения. Тем самым происходит шунтирование источника перенапряжения.

Проведенные исследования по изучению работы защитных элементов, таких как ограничительные диоды, разрядники и варисторы, позволяют сделать вывод о том, что для большинства областей применения оксидно-цинковые варисторы являются наиболее универсальными защитными элементами высокой эффективности.

Система параметров варисторов включает в себя 2 группы: одна из них характеризует свойства варисторов, другая – режим работы варисторов.

• 
  Классификационное напряжение (U_кл) – напряжение на варисторе при пропускании через него постоянного тока заданной величины (обычно 1 мА). При измерении U_кл на переменном токе – амплитудное номинальное варисторное напряжение.
  

• 
  Коэффициент нелинейности (α) – показатель степени нелинейности ВАХ, рассчитываемый как
  

Для оксидно-цинковых варисторов значение α составляет от 15…20 (для низковольтных варисторов) до 80…100 (для высоковольтных).

• 
  Температурный коэффициент напряжения (ТКU) – относительное изменение падения напряжения на варисторе, при изменении температуры окружающей среды на 1С (К) и неизменной величине тока, проходящего через варистор.
  

U_1мА – классификационное напряжение при токе 1мА (varistor voltage)

U_р (I_р) – предельное рабочее напряжение (ток)

(maximum continuous applicable voltage, leakage current)

U_имп (I_имп) – допустимая амплитуда импульсного напряжения (тока) (maximum peak voltage, current)

k_з=U_имп/ U_1мА – защитный коэффициент




^{Рис.4 Типовая ВАХ варисторов}

• 
  Напряжение ограничения (U_огр) – амплитуда напряжения на варисторе при пропускании через него импульса тока заданной формы и амплитуды. Длительность импульса тока соответствует стандартной – 8/20 мкс, а амплитуда – верхнему участку активной области ВАХ. (рис. 4). Напряжение ограничения характеризует защитные свойства варистора – уровень ограничения перенапряжений
  I_р
  
  

• 
  Защитный коэффициент (К_З)
  

К_З =U_огр / U_кл , или К_З =U_имп / U_кл (см. ВАХ)

Защитный коэффициент и напряжение ограничения зависят от габаритов варисторов и длительности импульса.

• 
  Время срабатывания (быстродействие) – время запаздывания ограничения перенапряжения при крутых фронтах импульса напряжения. В зависимости от используемых методик определения времени срабатывания его значение колеблется от ~ 0,5 до 50 нс.
  

Вторая группа. Параметры режимов работы варисторов:

Эта группа параметров характеризует электрическую нагрузку, при воздействии которой варистор сохраняет свою работоспособность в течение всего срока наработки.

• 
  Допускаемое изменение классификационного напряжения (не более чем в заданных пределах, обычно ±10%) – критерий сохранения работоспособности варистора.
  

Параметры, характеризующие постоянную электрическую нагрузку:

• 
  Предельное рабочее напряжение (U_р)
  
• 
  Предельный рабочий ток (I_р)
  

Параметры, характеризующие импульсную электрическую нагрузку (импульсную устойчивость варисторов).

Импульсная электрическая устойчивость (ИЭУ) варистора – способность варистора сохранять в допустимых пределах свои электрические параметры при воздействии импульсных напряжений, значения которых превышают классификационные. ИЭУ характеризуется следующими величинами:

• 
  Допустимая амплитуда импульсного тока (I_имп), А
  
• 
  Допустимая рассеиваемая энергия импульса (Q), Дж
  
• 
  Длительность (форма), период следования, количество импульсов.
  

I_имп и Q задаются при различных длительностях испытательного импульса, т.к. энергия, рассеиваемая в импульсе, выступает ограничивающим импульсную устойчивость фактором при больших длительностях импульса, а напряженность электрического поля – при малых.

Основными этапами подбора варистора являются:

- Задание рабочего напряжения. При определении рабочего напряжения необходимо учитывать допуск на изменение напряжения в защищаемой цепи, так как превышение значения на несколько процентов приведет из-за высокой нелинейности ВАХ к возрастанию тока через варистор в несколько раз, что при длительном воздействии выведет варистор из строя;

- Определение максимальной энергии, которую должен рассеивать варистор в импульсе. Применяется методика "приблизительной" оценки энергии

_τ

Е= ∫ I(t)U(t)dt=KI_импU_имп ,

⁰

где I(t) и U(t) – ток и напряжение на варисторе во время прохождения импульса длительностью . Значение коэффициента "К" для энергии, рассеиваемой при различной форме импульсов напряжения и тока, определяется экспериментальным путем;

- Определение возможной максимальной амплитуды тока в импульсе. Используется графический метод определения амплитуды тока: зная амплитуду перенапряжения (U_пн) и импеданс источника перенапряжения (Z) необходимо перестроить нагрузочную кривую в двойном логарифмическом масштабе. Точка пересечения этой кривой с ВАХ варистора даст максимальное значение амплитуды тока в импульсе.

Определив все указанные параметры, легко выбрать необходимый тип и номинал варистора.

При правильном выборе режимов и условий эксплуатации оксидно-цинковые варисторы обеспечат эффективную защиту от перенапряжений при высокой надежности работы.

Рабочий керамический элемент варистора обычно имеет форму диска, диаметр 6 … 30 мм. Возможны и большие диаметры диска.

Варисторы эффективно используются для стабилизации напряжений, ограничения импульсных перегрузок, искрогашения на контактах, помехоподавления, управления люминесцентными индикаторами и жидкокристаллическими дисплеями, помехо-подавления и искрогашения в коллекторных микродвигателях, защиты спецаппаратуры от электромагнитных импульсов и т.д. Область применения варистора включает системы телефонии и связи, системы железнодорожной связи и автоматики, тиристорные источники питания и преобразователи, вторичные источники питания, телевизионную технику, ряд областей электроники, бортовые радиоэлектронные системы, робототехнику, микроэлектронные системы, дискретные полупроводниковые приборы. В последнее время область применения значительно расширилась. Варисторы используются для ограничения перегрузок и помехоподавления в бытовой звуковой аппаратуре высокого класса, видеомагнитофонах и автомобильной микроэлектронике.

ОАО "НИИ "Гириконд" выпускает следующие типы варисторов:

- ВР-4 и ВР-9 c U_кл =22…820 В и I_{имп. макс} до 1500 A (дисковые, диаметром 7; 12; 18 мм, в эмали, с однонаправленными выводами);

- ВР-10 и ВР-11 (безвыводная конструкция с контактными поверхностями, диаметр 28 мм) и ВР-12 (дисковые с ленточными выводами) с U_кл=68 … 470 (по требованию заказчика до 820 В), I_{имп. макс}=5000 А.

Сегодня одной из актуальных задач развития керамических НПР является разработка новых материалов и технологических режимов, используемых в производстве.

гириконд

жүктеу/скачать 182.63 Kb.

Достарыңызбен бөлісу: