Варисторы SIOV: электронные полупроводники защиты от перенапряжений

Варисторы SIOV: электронные полупроводники защиты от перенапряжений

Обладающая массой преимуществ, полупроводниковая технология всё-таки имеет некоторые недостатки, в частности — слабость твердотельных устройств перед эффектом перенапряжения. Практика показывает — импульсное напряжение даже малой энергии способно вызывать дефекты и повреждения. Поэтому очевидной является задача подавления эффекта перенапряжения. Эту задачу вполне успешно решают варисторы SIOV – электронные компоненты, о которых рассказывает pdf и текст ниже.

Варисторы – обзор новых электронных приборов

Относительно инновационные электронные компоненты — варисторы SIOV, позиционируются защитными устройствами, демонстрирующими гибкость применения и высокую надежность.

Металлооксидный варистор в принципе рассматривается удачным прибором ограничения импульсного напряжения и тока, а также поглощения энергии. Разработанные новые варисторы SIOV поставляются в трёх конфигурациях исполнения:

  1. Дисковые.
  2. Блочные.
  3. Ленточные.

Также производятся специальные типы варисторов SIOV, предназначенных для автомобильных электрических систем и телекоммуникационных приложений.

Устройства защиты от перенапряжения — варисторы SIOV, также обозначаются как TVSS — Transient Voltage Surge Suppressor, что в переводе звучит как ограничитель переходных перенапряжений.

Что такое варисторы с технической точки зрения?

По сути, речь идёт о переменных резисторах, сопротивление которых зависит от напряжения, обусловленного симметричной характеристикой V / I. Значение сопротивления таких резисторов уменьшается с увеличением напряжения.

ВАРИСТОРЫ

Варисторы SIOV + вольтамперная характеристика приборов
Типичная кривая вольтамперной характеристики металлооксидного варистора SIOV-B60K250: 1 — максимально допустимое напряжение; 2 — уровень защиты; 3 — быстрый рост тока

Варисторы SIOV, будучи подключенными для защиты к электронному устройству или цепи, образуют шунт с низким сопротивлением. Эффективность шунта отмечается при повышении напряжения и выражается предотвращением эффекта перенапряжения.

Зависимость варисторов SIOV от напряжения рассчитывается формулой:

I = K * Vα   где: α — показатель «нелинейности».

Для конструкций металлооксидных варисторов SIOV удалось получить число, равное 30 и даже несколько превышающее это значение. То есть уровень защиты этих приборов фактически сопоставим с уровнем защиты стабилитронов и супрессорных диодов.

Исключительная способность выдерживать ток в сочетании с временем отклика <25 нс делают варисторы SIOV идеальным защитным устройством.

Варисторы SIOV: микроструктура + механизм проводимости

Поликристаллическая керамика получается в результате спекания оксида цинка с другими добавками оксидов металлов в специально созданных условиях. Сопротивление полученной поликристаллической керамики явно зависит от напряжения. Это явление называется варисторным эффектом.

Ниже упрощённой схемой показан проводящий механизм варисторного элемента. Зёрна оксида цинка обладают высокой проводимостью, тогда как граница между зёрнами, образованная другими оксидами, демонстрирует высокое сопротивление.

РЕЗИСТОР SMD

Варисторы SIOV + структурная составляющая электронного прибора
Структурная составляющая варистора SIOV, демонстрирующая функциональный механизм электронного прибора: 1 – граница между зёрнами оксида цинка; 2 – зерно оксида цинка; 3 — микро-варистор 

Точки соприкосновения зерна и оксида цинка при спекании образуют «микро-варисторы», свойства которых аналогичны симметричным стабилитронам. Электрическое поведение металлооксидного варистора типа SIOV зависит от количества микро-варисторов, включенных последовательно или параллельно.

По сути, такое поведение прибора демонстрирует электрические свойства, которые контролируются физическими размерами компонента:

  1. Двойная толщина керамики даёт вдвое больший уровень защиты, учитывая удвоение числа микро-варисторов последовательного включения.
  2. Удвоенная площадь даёт в два раза больше текущей способности обработки, учитывая удвоение текущих путей расположенных параллельно.
  3. Двойной объем даёт вдвое большую способность поглощать энергию, учитывая удвоение поглотителей в виде зёрен оксида цинка.

Последовательное и параллельное соединение отдельных микро-варисторов внутри спечённого корпуса SIOV логически объясняет высокую электрическую нагрузочную способность прибора по сравнению с другими полупроводниками.

SMD НАБОР

Варисторы SIOV - исполнение под монтаж электроники SMD
Один из вариантов исполнения варистора SIOV, предназначенного для применения в условиях электронного монтажа по технологии SMD: 1 – пластиковый корпус; 2 – дисковый варистор; 3 — терминал

Если в полупроводниках мощность рассеивается практически полностью в одной тонкой области P-N перехода, структурой варистора SIOV мощность распределяется по всем микро-варисторам. То есть налицо равномерность распределения по всему объёму компонента.

Каждый микро-варистор структуры снабжён поглотителями энергии в виде зёрен оксида цинка с оптимальным тепловым контактом. Это обеспечивает высокое потребление энергии, следовательно, исключительно высокую способность выдерживать импульсные токи.

Что даёт размерность зерна структуры прибора?

С целью согласования разных уровней защиты с толщиной керамики, подходящей для изготовления, варисторы SIOV изготавливаются на основе керамики с различными градиентами напряжения.

Различия в сырье и процессе спекания оказывают влияние на рост размера зерна (диаметр зерна составляет 10 — 100 мм). Таким образом, создают необходимое удельное напряжение керамики (30 — 250 В/мм), не влияющее на вольтамперную характеристику отдельных микро-варисторов.

 

Керамика с небольшим удельным напряжением (низковольтный тип до 40В), однако, не  способна выдерживать ту же плотность тока, что и высоковольтные структуры. Этим объясняются различия в таких свойствах, как:

  • импульсный ток,
  • поглощение энергии,
  • механические размеры,

для различных типовых серий. Влияние разного размера зерна наиболее очевидно между классами напряжения K40 и K50. В качестве примера ниже отмечен максимально допустимый импульсный ток отдельно взятых приборов:

SIOV-S07K40 (imax = 250 A)

SIOV-S07K50 (imax = 1200 A)

Конструктивное исполнение на варисторы SIOV

Обработка спечённой металлооксидной керамики осуществляется на различных производственных линиях. Соответственно, выпускаются разные типы электронных элементов.

Так, одним из вариантов дизайна является дисковая конструкция, снабжённая выводами из луженой медной проволоки. Керамический корпус в этом случае покрывается эпоксидной смолой.

Также существует производственный вариант дисковых варисторов, заключённых в корпус. Здесь дисковые варисторы помещаются в корпус, что делает возможным применение элементов в специальных областях перенапряжения.

Пример таких устройств — исполнение «ThermoFuse» (ETFV или T) для самозащиты в условиях аномального перенапряжения.

Значительные электромагнитные силы, возникающие при работе с токами 10 — 100 кА, требуют твёрдого контакта со специальными электродами и заливки в пластиковый корпус. Для подобных случаев предусмотрены блочные варисторы, которые электрически и механически соединяются винтовыми зажимами.

Также следует отметить варианты исполнения в монолитном керамическом корпусе. Серия дисковых варисторов SMD (картинка выше) представлена элементами дискового прибора, залитыми огнестойким термопластом UL 94 V-O, предназначенными для процесса пайки SMD технологией.


При помощи информации: Epcos