Рис. 5.12. Конструкции силовых терморезисторов:

с - на основе оксидных материалов; б - на основе монокристаллического кремния

муму процессы старения в материале: так, кремниевые термочувствительные элементы при выдержке при температуре 520 К в течение 500 ч изменяют свое сопротивление на 1,5-2%. Конструкции силовых полупроводниковых терморезисторов приведены на рис. 5.12, а, б.

Наиболее резкое изменение удельного сопротивления монокристаллических полупроводников происходит в области собственной проводимости; для создания термочувствительного элемента используется монокристаллический кремний с удельным сопротивлением 150, 300 и 700 Ом см.

В области собственной проводимости изменение сопротивления термочувствительного элемента происходит по экспоненциальному закону

/? =у4ехр {AEIlkT),

где А - постоянная, зависящая от вида исходного полупроводниково-

Рис. 5.13. Зависимость сопротивпения от тока для кремниевого терморезистора

го материала; АЕ - ширина запрещенной зоны полупроводника; к - постоянная Больцмана; Г - температура.

При более низких температурах, когда собственная проводимость еще отсутствует, изменение сопротивления определяется изменением подвижности носителей заряда в материале. В этом случае зависимость сопротивления от температуры можно выразить соотношением

R =RoiT/To),

здесь Ro - сопротивление при некоторой температуре То; а - постоянная для полупроводникового материала (находится в пределах 1,5-2,6).

Итак, температурная характеристика (рис. 5.13) имеет два участка: 7 - обусловлен повышением сопротивления термочувствительного элемента (за счет снижения подвижности носителей заряда) и 2 - снижением сопротивления при возникновении собственной проводимости материала.

Основные параметры силовых кремниевых терморезисторов приведены в табл. 5.5.

Таблица 5.5

Параметр

Вид терморезистора

с поликристалли- с монокристалпи-ческим элементом ческим элементом

Номинальное сопротивление. Ом Коэффициент температурной чувствительности, К ТКС, %/К

Допустимая рабочая температура, К Максимальный ток установившегося режима при естественном воздушном охлаждении, А Габаритные размеры, мм

20, 5000 2100-3500

2-2,2

50 x 15 x7

0,15, 15 1300-6000

3-3,5 570

10-50

245 Х45 Х45

*Наток 10 А.

Особое место среди силовых терморезисторов занимают позисто-ры - приборы с высоким положительным ТКС в узком интервале температур. Такие приборы все более широко используются для защиты силовых электротехнических приборов и устройств в аварийных режимах и при перегрузках. Таким образом, силовые полупроводниковые варисторы и терморезисторы - это классы полупроводниковых приборов, которые находят в настоящее время все более широкое применение в электротехнике: на их основе выполняются многообразные защитные устройства, а также различные устройства управления и регулирования.

5.3. ПРИМЕНЕНИЕ ВАРИСТОРОВ И 1 ЕРМОРЕЗИСТОРОВ

Полупроводниковые варисторы и терморезисторы используются для решения широкого круга технических задач в электротехнике и энергетике: защита от перенапряжений, ограничение импульсов напряжения, стабилизация напряжения, запуск электродвигателей, искро-гашение на разрывных электрических контактах и т.п.

Полупроводниковые варисторы, обладая нелинейной зависимостью тока от приложенного напряжения, являются простыми и надежными ограничителями напряжения. Отметим, что особенно высокие перенапряжения возникают в электрических цепях при коммутации нагрузки, носящей индуктивный характер. В этом случае варистор выполняет роль шунта, имеющего небольшое сопротивление при всплесках напряжения и значительное сопротивление при номинальном напряжении. Таким образом, устраняется возможность ионизации воздушного промежутка между контактами при размыкании цепи.

На рис. 5.14, а, б приведены схемы включения варисторов параллельно защищаемым контактам и катушки индуктивности. Выбор схемы включения варистора определяется режимом работы коммутационной аппаратуры, так, в схеме на рис. 5.14, а дополнительная мощность потребляется варистором при разомкнутых контактах, а в схеме на рис. 5.14, б - при замкнутых. Удобные для монтажа полупроводниковые варисторы при использовании их в качестве искрогасящих элементов обеспечивают значительное повышение срока службы размыкающих контактов. Перспективно применение варисторов во взрывоопасной аппаратуре. Являясь активным сопротивлением, варистор не способен запасать энергию, а лишь потребляет ее, в то время как емкость искрогасящих 7?С-цепочек запасает энергию, способную вызвать искру довольно большой мощности при случайном замыкании контактов конденсатора.

При включении варистора параллельно обмотке напряжение на катушке индуктивности