Нелинейная проводимость. 
Нелинейная проводимость

Материалы с нелинейной проводимостью очень важны для энергетики. Дело в том, что с их помощью подавляются паразитные волны перенапряжений в линиях и на подстанциях.

Представьте себе такое устройство, которое имеет очень высокое сопротивление, как диэлектрик, при рабочем напряжении, а при повышении напряжения начинает проводить ток, причем по мере превышения становится все более подобным проводнику.

Напряжение на нем, практически невозможно поднять выше некоторого значения. Если такое устройство присоединить параллельно защищаемому аппарату, например трансформатору напряжения, то волна перенапряжений как-бы погасится на этом элементе и защищаемый аппарат не почувствует повышения напряжения. Вкратце, это, идея ограничителя перенапряжений (ОПН).

Для того, чтобы эффект был значимым, нелинейность должна быть как можно выше. Она характеризуется коэффициентом нелинейности: отношением статического сопротивления к динамическому сопротивлению.

:

Если считать, что коэффициент постоянен, можно получить, что ток с напряжением в нелинейном элементе связан простым степенным соотношением.

где, ток через и напряжение в какой-либо точке. На рисунке (Приложение 1) показана зависимость тока от напряжения для нелинейного элемента.

На рисунке показано поведение тока через нелинейный элемент где в зависимости от напряжения при различных коэффициентах нелинейности, 1, 7, 50.

Видно, что при токе большим, чем напряжение практически не отличается от при сильной нелинейности, а при коэффициенте нелинейности 7 рост напряжения заметен. Поэтому высоконелинейные элементы хорошо ограничивают перенапряжения, чем больше нелинейность, тем лучше ограничение.

Нелинейные элементы, у которых сопротивление сильно уменьшается с ростом напряжения называются варисторами (приложение 2 и приложение 3). паразитный волна перенапряжение полупроводник Варимстор (дословно — переменный резистор) — полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление (проводимость) которого нелинейно зависит от приложенного напряжения, то есть обладающий нелинейной симметричной вольт-амперной характеристикой и имеющий два вывода. Обладает свойством резко уменьшать свое сопротивление с единиц ГОм до десятков Ом при увеличении приложенного к нему напряжения выше пороговой величины. При дальнейшем увеличении напряжения сопротивление уменьшается ещё сильнее. Благодаря отсутствию сопровождающих токов при скачкообразном изменении приложенного напряжения, варисторы являются основным элементом для производства устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП).

Из материалов, обладающих нелинейностью, достаточной для применения в ограничителях перенапряжений получили распространение два: карбид кремния и оксид цинка. Он приготавливается при высокотемпературном нагреве смеси диоксида кремния и углерода. В результате их реакции улетает кислород и вырастают кристаллы SiC. Затем их размалывают до размера 40−300 мкм. Электропроводность порошка имеет нелинейный характер, однако она нестабильна, зависит от степени сжатия, крупности помола, меняется при тряске и т. п. Поэтому порошок скрепляют связующим веществом.

Если в качестве связующего используют глину, то полученный материал называют тиритом. Здесь мелкоизмельченного карбида кремния 74%, остальное — глина. Смесь прессуется и обжигается при температуре 1270 °C.

Если используют жидкое стекло (75% SiO2 + 24% Na2O + вода), что составляет силикатный клей, то полученный материал называют вилитом. Здесь SiC 84%, связующего 16%. Смесь прессуется и обжигается при температуре 380 °C.

Нелинейность характеристик варисторов обусловлена локальным нагревом соприкасающихся граней многочисленных кристаллов карбида кремния (или иного полупроводника). При локальном повышении температуры на границах кристаллов сопротивление последних существенно снижается, что приводит к уменьшению общего сопротивления варисторов.

Для применения в качестве ограничителей напряжения нелинейность карбида кремния невелика — всего 7, а изготовленные из него материалы имеют еще меньшую нелинейность — от 3 до 5. Поэтому, при включении параллельно защищаемому аппарату такой ОПН либо не будет защищать, если сделать его сопротивление при рабочем напряжении большим, либо будут значительные потери на рабочем напряжении. Для решения этой проблемы последовательно с варистором в цепь устанавливают разрядник.

Вторым, в настоящее время наиболее важным материалом для варисторов, является оксид цинка с добавками оксидов висмута, кобальта, марганца, сурьмы и хрома. Технология его приготовления сложна, она включает раздельный размол компонентов, смешение со связкой, прессование, спекание с выжиганием связки, размол, вторичное спекание, вжигание электродов. В результате получается высококачественная керамика с высокой нелинейностью до 50−70. Такая нелинейность позволяет обходиться без разрядников. ОПН набирают из последовательно-параллельного соединения варисторов, заключают в диэлектрическую рубашку и присоединяют параллельно к защищаемому аппарату.

Кроме варисторов существуют также, термистор (приложение 4) и позистор (приложение 5) это полупроводниковые резисторы, отличающиеся друг от друга температурным коэффициентом. Термистор — терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, позистор — терморезистор с положительным коэффициентом сопротивления. Позистор имеет форму керамических дисков, в некоторых случаях установленных последовательно в одном корпусе, а так же в одиночном исполнении с защитным эмалевом покрытием. По областям применения позисторы делятся на группы. Позисторы, работающие в условиях воздействия электрической нагрузки и используемые в качестве предохранителей в схемах защиты от перегрузок по току и напряжению. Например, простая схема защиты первичной обмотки трансформатора. Еще одно применение позисторов в качестве переключателей в схемах пусковых устройств. Позисторы широко применяются в качестве автостабилизирующих нагревательных элементов в схемах размагничивания и задержки. Здесь позисторы размагничивают теневую маску кинескопа посредством уменьшения переменного тока, проходящего через размагничивающуюся катушку в течение короткого времени. Благодаря высокой температурной чувствительности и положительному температурному коэффициенту, позисторы могут одновременно выполнять функции нагревательного элемента и термодатчика. Некоторые виды позисторов нашли применение в светотехнике в схемах пусковых устройств люминесцентных ламп. Пример одной из них. Начиная с некоторой температуры, сопротивление позистора резко возрастает, а вместе с ним растет напряжение на лампе, и при достижении напряжения зажигания лампа светится полным накалом.

Список используемой литературы

• · В. Г. Герасимов, О. М. Князьков, А. Е. Краснопольский, В. В. Сухоруков (Под ред. В. Г. Герасимова). Основы промышленной электроники: Учебник для вузов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высшая школа, 1978.
• · http://www.findpatent.ru/patent/226/2 266 582.html
• · http://www.anod-master.ru/kak-proverit-pozistor-razmagnichivaniya-kineskopa-v-televizore-zamena-pozistora.html