Como e por que ocorre a falha do varistor, incluindo o efeito de surtos multipulsos

O ano era 2011 e uma experiência estava sendo feita na China para registrar os efeitos de um raio disparado em uma linha de transmissão aérea. A linha foi instrumentada para registrar as correntes induzidas e os instrumentos foram protegidos com um varistor de óxido metálico (MOV). Um varistor é frequentemente chamado de MOV (Metal Oxide Varistor). O relâmpago registrado consistiu em múltiplos golpes de retorno, nenhum dos quais excedeu a classificação Imax do MOV. Mas, para surpresa dos experimentadores, o MOV foi danificado.

Como isso pôde acontecer? E o mais importante, por que o Imax não seria uma boa base para selecionar um MOV para proteção contra raios, e existem alternativas? Para ajudar a responder a essas perguntas, discutiremos neste artigo o que é um MOV e como a maneira como ele é feito influencia seu comportamento quando surge o surto, como ocorrem as falhas e como os surtos multipulsos diferem dos surtos únicos em seu efeito nas propriedades do MOV.

Para entender a falha, é útil discutir como os varistores são feitos. A este respeito, há três coisas dignas de nota.

Primeiro, os varistores são um material cerâmico composto principalmente de óxido de zinco (ZnO). Em condições ambientais, o ZnO cristaliza em uma estrutura hexagonal de wurtzita, conforme mostrado na Figura 1, onde as bolas grandes representam Zn e as bolas pequenas representam oxigênio (O). Esta é uma estrutura complicada que, se cristalizasse perfeitamente, seria um isolante. Mas como o processo de cristalização não é perfeito, as vacâncias de oxigênio ou intersticiais de zinco resultantes fazem com que essa estrutura se torne um semicondutor de gap largo com uma resistividade relativamente baixa de 1 – 100 Ω-cm à temperatura ambiente.

Figura 1: Estrutura Wurtzita. As bolas grandes representam Zn e as bolas menores representam oxigênio.

Em segundo lugar, um varistor não é um cristal de wurtzita uniforme, mas muitos que se fundem em grãos. Para transformar o ZnO em um varistor, uma pequena quantidade de Bi2O3 é adicionada. O Bi2O3 vai para os limites dos grãos, conforme mostrado na Figura 2. Além do Bi2O3, MnO pode ser adicionado para melhorar as propriedades não lineares; Sb2O3 para controlar o crescimento do grão de ZnO e uma pequena quantidade de Al2O3 para aumentar a condutividade do grão de ZnO.

Figura 2: Micrografia típica da estrutura do varistor

O Bi2O3 entre dois grãos de ZnO resulta na formação de diodos Schottky back-back. Então, essencialmente, um varistor é um arranjo série-paralelo de material do tipo n separado por diodos Schottky back-back com uma queda de tensão de cerca de 2V-3V por junção de limite de grão (independentemente do tamanho do grão). Segundo He [1], esta estrutura pode ser caracterizada eletricamente pela Equação (1).

(1)

Onde V é a tensão aplicada e I é a corrente que passa pelo varistor. Aqui, E, A1, A2, Vth e m são constantes relacionadas às características elétricas do varistor, e α é o coeficiente não linear usual do varistor. A equação (1) é útil para explicar a forma da curva VI do varistor. E é a energia de excitação do varistor, K constante de Boltzmann, A1, A2 e m são constantes relacionadas às características elétricas do varistor, Vth é a tensão limite.

O primeiro termo na Equação (1) raramente é incluído na descrição VI de um varistor. É a corrente de emissão Schottky na região de baixa corrente do varistor. O segundo termo é a corrente não linear usual na região de alta corrente.

As constantes da Equação (1) são controladas variando a composição do material do varistor e o tempo de sinterização do processo de fabricação. A tensão limite Vth também depende da composição e das condições de sinterização. Eles controlam o número de limites de grão entre os dois eletrodos. Como Vth é proporcional ao número de contornos de grão, mais contornos de grão resultam em um Vth mais alto.

Terceiro, esta variação no processo de fabricação do varistor e as flutuações estatísticas que a acompanham nas propriedades que geralmente ocorrem em materiais policristalinos fazem com que os varistores resultantes tenham propriedades elétricas não homogêneas. Isso sugere que: