Varistorji cinkovega oksida za prenapetostne odvodnike
Varistorji s cinkovim oksidom so polprevodniški izdelki s simetrično nelinearno tokovno-napetostno (CVC) karakteristiko. Takšni varistorji so najbolj razširjeni. v prenapetostnih zaščitah (SPN), zlasti za zaščito električne opreme pred strelo in stikalnimi prenapetostmi. O parametrih in značilnostih te opreme — v članku, objavljenem spodaj.
Varistor cinkovega oksida (OZV) je glavni delovni element zasnove nelinearnega odvodnika prenapetosti (SPD), zato se na električne značilnosti varistorja pod različnimi vplivnimi dejavniki zahtevajo povečane zahteve glede stabilnosti.
Torej morajo biti varistorji odporni proti staranju, ko so izpostavljeni stalni obratovalni napetosti, morajo biti sposobni odvajati sproščeno energijo med prehodom določenih tokovnih impulzov in omejiti napetost na varno vrednost v primeru prenapetosti.
Raziskave in razvoj pri razvoju varistorjev za omejevalnike na osnovi cinkovega oksida so se začele že v osemdesetih letih 20. stoletja na oddelku za zaščitne naprave Vseruskega elektrotehniškega inštituta.
glavni parametri
Nelinearni omejevalnik prenapetosti — električna naprava, namenjena zaščiti izolacije električne opreme pred strelo in stikalnimi prenapetostmi.
Prednost teh naprav je, da v njih ni isker. Takšne naprave lahko omejijo tako strele kot preklopne prenapetosti v električnih napeljavah katerega koli napetostnega razreda in so zelo zanesljive.
Prenapetostni odvodnik je stolpec zaporedno povezanih enojnih varistorjev, njegovi glavni parametri pa so hkrati parametri zelo nelinearnih varistorjev.
Varistorji cinkovega oksida, ki so glavni element prenapetostnih odvodnikov, imajo visoke zahteve glede stabilnosti tokovno-napetostne karakteristike. Zaradi dejstva, da so varistorji stalno pod napetostjo, imajo tudi visoke zahteve glede toplotne stabilnosti.
Eden najpomembnejših parametrov je preostali stres, ki je definiran kot največja vrednost napetosti omejevalnika (varistorja), ko skozi njega prehajajo tokovni impulzi dane amplitude in oblike.
Zaradi jasnosti je običajno delati z relativnimi vrednostmi, tj. upoštevati preostale napetosti glede na preostalo napetost pri danem tokovnem impulzu (na primer pri tokovnem impulzu 500 A, 8/20 μs).
Drug pomemben parameter, ki označuje sposobnost odvodnika, da absorbira preklopno energijo prenapetosti brez poškodb, je prepustnostsposobnost varistorjev, da večkrat (običajno 18-20-krat) prenesejo tokovne impulze določene amplitude in trajanja (običajno 2000 μs), ne da bi se zlomili in spremenili njihove značilnosti.
Prepustnost je proizvajalčeva največja vrednost pravokotnega tokovnega impulza s trajanjem 2000 μs (prepustni tok). Odvodnik mora prenesti 18 takih vplivov s sprejetim zaporedjem njihove uporabe brez izgube delovanja. Odvodniki prenapetosti so razdeljeni v razrede glede na njihovo zmogljivost. Specifična energija impulza ustreza vsakemu razredu.
Nazadnje, pomembna lastnost sodobnih varistorjev cinkovega oksida je stabilnost pri dolgotrajni izpostavljenosti izmenični napetosti.
Med preskusi pospešenega staranja morajo imeti varistorji padajočo odvisnost izgub moči v varistorjih (P) od časa izpostavljenosti (t) izmenični napetosti pri povišani temperaturi. Takšni "non-aging" varistorji omogočajo daljšo življenjsko dobo pod enakimi pogoji v primerjavi z omejevalniki, ki uporabljajo "aging" varistorje.
Proizvodnja varistorjev
Varistorji imajo nelinearno tokovno-napetostno karakteristiko zaradi polprevodniških lastnosti materiala, iz katerega so sestavljeni. Te lastnosti so določene z značilnostmi mikrostrukture varistorja in kemično sestavo njegovega materiala.
Tudi majhna sprememba razmerja elementov, ki sestavljajo material varistorja, ali dodajanje majhne količine novih nečistoč lahko povzroči znatno spremembo njegove tokovno-napetostne karakteristike in drugih električnih parametrov.
Na mikrostrukturo in električne lastnosti varistorjev vplivajo tudi spremembe v procesu izdelave varistorjev. Za pridobitev visokokakovostnih varistorjev je izjemno pomembna stabilnost vseh kazalcev tehnološkega procesa njihove proizvodnje.
Varistorji iz cinkovega oksida so izdelani po keramični tehnologiji. Vendar pa obstajajo številne značilnosti zaradi dejstva, da v polprevodniški keramiki električne lastnosti niso določene z glavno komponento mikrostrukture (kristaliti), temveč z medkristalnimi mejami. Zato sta pri proizvodnji nelinearnih polprevodnikov s keramično tehnologijo zastavljeni dve glavni nalogi.
Najprej je treba zagotoviti gosto strukturo pečenega materiala z minimalno poroznostjo. Drugič, potrebno je ustvariti intergranularno pregradno plast.
Pregradna plast je stik med dvema sosednjima kristalitoma, katerih površine vsebujejo lokalizirana elektronska stanja, ustvarjena z dopiranjem in adsorpcijo. Zato mora varistorska tehnologija izpolnjevati številne posebne zahteve glede čistosti, disperzije izvornih materialov in režima mešanja prahu. Kot izhodne snovi se uporabljajo praški z vsebnostjo osnovne snovi najmanj 99,0 - 99,8%.
Polnjenje (mešanica izhodnih snovi) je sestavljeno pretežno iz cinkovega oksida z dodatkom različnih kovinskih oksidov. Homogenizacija in mešanje polnjenih materialov z destilirano vodo poteka v disperzijskih mlinih in sferičnih bobnih.
Pri določeni koncentraciji zdrsa se njegova viskoznost nadzira z viskozimetrom.Sušenje gnojevke in granulacija potekata v razpršilnem sušilniku, pri optimalnem načinu delovanja, iz katerega dobimo granule stiskalnice v območju 50 - 150 mikronov. Na tej stopnji se nadzoruje velikost zrnc, vsebnost vlage in sipkost praška. Varistorje stisnemo s hidravlično stiskalnico.
Stiskalnice morajo izpolnjevati določene zahteve glede gostote, dimenzij in ravni vzporednosti. Stisnjeni kosi so podvrženi predhodnemu žganju za odstranitev veziva in končnemu žganju, med katerim se oblikujejo potencialne ovire in vmesna faza.
Žganje poteka v komornih pečeh. Po končnem žganju se deli brusijo, na čelno površino se nanese metalizacija, na stransko površino pa se nanese poseben premaz.