Come e perché si verifica un guasto al varistore, compreso l'effetto dei picchi multiimpulso

L'anno era il 2011 e in Cina era in corso un esperimento per registrare gli effetti di un fulmine innescato su una linea di trasmissione aerea. La linea era attrezzata per registrare le correnti indotte e gli strumenti erano protetti con un varistore a ossido di metallo (MOV). Un varistore è spesso chiamato MOV (Varistore a ossido di metallo). Il fulmine registrato consisteva in più colpi di ritorno, nessuno dei quali superava il valore Imax del MOV. Ma, con grande sorpresa degli sperimentatori, il MOV è stato danneggiato.

Come è potuto accadere? E, cosa ancora più importante, perché Imax potrebbe non essere una buona base per selezionare un MOV per la protezione dai fulmini e ci sono alternative? Per rispondere a queste domande, in questo articolo discuteremo di cos'è un MOV e di come il modo in cui è realizzato influenza il suo comportamento quando viene sottoposto a sovraccarico, come si verificano i guasti e come i picchi multiimpulso differiscono dai picchi singoli nel loro effetto sulle proprietà del MOV.

Per comprendere il guasto, è utile discutere come sono realizzati i varistori. A questo proposito ci sono tre cose degne di nota.

Innanzitutto, i varistori sono un materiale ceramico composto principalmente da ossido di zinco (ZnO). In condizioni ambientali, ZnO cristallizza in una struttura esagonale di wurtzite, come mostrato nella Figura 1, dove le sfere grandi rappresentano Zn e le sfere piccole rappresentano l'ossigeno (O). Si tratta di una struttura complicata che, se cristallizzasse perfettamente, fungerebbe da isolante. Ma poiché il processo di cristallizzazione non è perfetto, i posti vacanti di ossigeno o gli interstiziali di zinco risultanti fanno sì che questa struttura diventi un semiconduttore ad ampio gap con una resistività relativamente bassa di 1 – 100 Ω-cm a temperatura ambiente.

Figura 1: struttura della Wurtzite. Le palline grandi rappresentano lo Zn e le palline più piccole rappresentano l'ossigeno.

In secondo luogo, un varistore non è un cristallo di wurtzite uniforme, ma molti cristalli che si fondono in grani. Per trasformare ZnO in un varistore, viene aggiunta una piccola quantità di Bi2O3. Il Bi2O3 entra nei bordi del grano, come mostrato nella Figura 2. Oltre a Bi2O3, è possibile aggiungere MnO per migliorare le proprietà non lineari; Sb2O3 per controllare la crescita del grano ZnO e una piccola quantità di Al2O3 per aumentare la conduttività del grano ZnO.

Figura 2: Micrografia tipica della struttura del varistore

Il Bi2O3 tra due grani di ZnO dà luogo alla formazione di diodi Schottky back-back. Quindi, in sostanza, un varistore è una disposizione in serie parallela di materiale di tipo n separato da diodi Schottky back-back aventi una caduta di tensione di circa 2 V-3 V per giunzione al confine del grano (indipendentemente dalla dimensione del grano). Secondo He [1], questa struttura può essere caratterizzata elettricamente dall'equazione (1).

(1)

Dove V è la tensione applicata e I è la corrente che attraversa il varistore. Qui, E, A1, A2, Vth e m sono costanti relative alle caratteristiche elettriche del varistore e α è il consueto coefficiente non lineare del varistore. L'equazione (1) è utile per spiegare la forma della curva VI del varistore. E è l'energia di eccitazione del varistore, K la costante di Boltzmann, A1, A2 e m sono costanti legate alle caratteristiche elettriche del varistore, Vth è la tensione di soglia.

Il primo termine dell'equazione (1) è raramente incluso nella VI descrizione di un varistore. È la corrente di emissione Schottky nella regione a bassa corrente del varistore. Il secondo termine è la solita corrente non lineare nella regione ad alta corrente.

Le costanti nell'equazione (1) sono controllate variando la composizione del materiale del varistore e il tempo di sinterizzazione del processo di produzione. La tensione di soglia Vth dipende anche dalla composizione e dalle condizioni di sinterizzazione. Questi controllano il numero di confini dei grani tra i due elettrodi. Poiché Vth è proporzionale al numero di bordi di grano, più bordi di grano determinano un Vth più elevato.

In terzo luogo, questa variazione nel processo di fabbricazione dei varistori e le relative fluttuazioni statistiche nelle proprietà che generalmente si verificano nei materiali policristallini fanno sì che i varistori risultanti abbiano proprietà elettriche disomogenee. Ciò suggerisce che: