Los varistores son materiales cerámicos con aplicaciones en electrónica debido a su comportamiento tensión-corriente altamente nolineal. Esta propiedad los hace útiles en la protección de redes de alta tensión o circuitos electrónicos contra la acción de sobretensiones como las que generan los rayos durante las tormentas eléctricas. En la Dvisión Cerámicos del INTEMA se trabaja con varistores basados en dióxido de estaño y se estudia la influencia de diversos óxidos de metales de transición sobre las propiedades microestructurales y eléctricas de estos dispositivos.Fil: Parra, Rodrigo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Mar del Plata. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales. Universidad Nacional de Mar del Plata. Facultad de Ingeniería. Instituto de Investigaciones en Ciencia y Tecnología de Materiales; Argentin

Parra, Rodrigo

Spanish

CONICET Digital

1SUMARIOnexos@mdp.edu.ar   /   www.mdp.edu.arSumarioAño 12 - Nexos 21 / Diciembre de 2005NEXOSS CI  TECRETARIA DE IENCIAS ENNOVACION ECNOLOGICAEditorialSanchan ladro, cabal que señalamosNorberto ÁlvarezActualizaciónProducción argentina en Science citation Index 2004Área base de datos y indicadores, Caicyt-ConicetOpiniónInnovación y nuevas tecnologías también en la actividaddocenteMaría Alejandra PereyraArtículosEl Número de la creaciónUn análisis crítico de algunas afirmaciones sobre la secciónáureaMiguel HoyuelosMateriales electromecánicos para la protección de equiposelectrónicos y redes de alta tensiónRodrigo ParraSituaciónClínica Psicoanalítica InfantilHoracio MartínezReseñasPasado y presente de la Mar del Plata socialColoquio INorberto Álvarez, Cecilia Rustoyburu y Graciela ZuppaInmigración española, familia y movilidad social en laArgentina moderna.Una mirada desde Mar del Plata (1890-1930)Da Orden, María LilianaLa verdad y la apariencia. Una historia conceptual de laFilosofía en OccidenteSergio Cecchetto, Andrés Crelier351013202429303120NEXOSARTICULO1. Introducción y desarrollo históricoLos dispositivos cerámicos conocidos comovaristores son de interés tecnológico debido a susaplicaciones en electrónica y en sistemas dedistribución de energía eléctrica. Su nombreproviene de , palabras que en inglésdan a entender que su resistencia no es constante,varía con la tensión aplicada. La función primordialde un varistor es la de proteger electrodomésticos,equipos electrónicos y redes de alta tensión de losperjudiciales e inesperados picos de tensión y de lasdescargas generadas durante las tormentaseléctricas. Esta función tiene su origen en laspropiedades eléctricas nolineales del varistor, el cualpuede ser usado tanto en corriente continua comoen corriente alterna y en muy amplios intervalos detensiones y corrientes. La Figura 1 resume los camposde aplicación de estos dispositivos.Los primeros varistores cerámicosdesarrollados en la década del 30 para proteger redesde telefonía consistían en densos bloques de carburode silicio (SiC). Más tarde, en 1969, Michio Matsuokadesarrolló en Japón varistores basados en óxido decinc (ZnO) con lo que despertó el interés decompañías como General Electric y Matsushita,responsables de la producción en serie de estosdispositivos que continúan siendo ampliamenteutilizados. Las propiedades eléctricas nolineales encerámicas de óxido de estaño (SnO2) fueronobservadas por primera vez en el año 1995 por elgrupo brasileño integrado por Sidnei Pianaro. Desdeaquellos sondeos iniciales se ha sometido al SnO2,en presencia de otros óxidos aditivos, a sistemáticosy exhaustivos estudios con el fin de desarrollarvaristores con un comportamiento predecible paraaplicaciones específicas. Este nuevo sistema presentaalgunas ventajas frente al clásico y exitoso varistorde ZnO; una de ellas es la posibilidad de diseñardispositivos de menor tamaño para aplicaciones enalta tensión. Esta no es una ventaja menor si seconsideran las dificultades que se presentan durantela conformación de piezas (cilindros en este caso)homogéneas a partir de polvos cerámicos [1-3].2. El origen del problema y la necesidadde protecciónLas redes de energía funcionan con unatensión constante suministrando corriente a unagran variedad de equipamientos. Para proveer untransporte eficiente y económico de la energía, latensión a la cual es generada, transportada ydistribuida se encuentra entre cientos de voltios ycientos de kilovoltios. Por otro lado, el consumidorfinal sólo está interesado en recibir entre 220 y unospocos miles de voltios para uso hogareño oindustrial. Independientemente de la magnitud dela tensión empleada, el buen funcionamiento delos equipos depende de que la tensión conserve suvalor normal de operación. El equipamientoinvolucrado, tanto en el transporte como en elconsumo de la energía, posee una capacidadlimitada de tolerar tensiones por encima del nivelnormal. Los sistemas informáticos y detelecomunicaciones que operan con tensiones muybajas son los más delicados frente a las impredeciblessobretensiones.Dado que no es posible erradicarcompletamente los picos de tensión en el suministroRodrigo ParraMateriales electrocerámicos para laprotección de equipos electrónicosy redes de alta tensiónLos varistores son materiales cerámicos con aplicaciones en electrónica debido a su comportamientotensión-corriente altamente nolineal. Esta propiedad los hace útiles en la protección de redes dealta tensión o circuitos electrónicos contra la acción de sobretensiones como las que generan losrayos durante las tormentas eléctricas. En la Dvisión Cerámicos del INTEMA se trabaja con varistoresbasados en dióxido de estaño y se estudia la influencia de diversos óxidos de metales de transiciónsobre las propiedades microestructurales y eléctricas de estos dispositivos.21Año 12 - Nexos 21 / Diciembre de 2005ARTICULOde la energía eléctrica, y menos aún lo es evitartormentas eléctricas, la integridad o la normaloperación de los equipos electrónicos puedeconseguirse mediante dispositivos protectorescapaces de absorber excesos de energía. La claveestá entonces en usar dispositivos nolineales quepresentan una baja resistencia ante incrementosabruptos de tensión y una alta resistencia frente ala tensión normal de operación. Algunos varistorescomerciales como los que vemos en líneas de altatensión a lo largo de las rutas o dentro de un simplereceptor de radio se muestran en la Figura 2.3. Producción de varistores de SnO2La composición del material y el proceso defabricación son los factores más importantes queinfluyen en las propiedades de estos dispositivos.Los varistores son generalmente producidosmediante las técnicas usuales empleadas encerámica. Los materiales precursores deben ser demuy alta pureza y estar finamente divididos a fin defavorecer la homogeneidad de la microestructuraen el dispositivo final. Un diagrama simplificado delproceso de fabricación se muestra en la Figura 3.El SnO2 con la adición de óxidos de metalesde transición (cobalto, niobio, lantano, hierro opraseodimio, entre otros), en concentracionesmolares que no superan el 1%, son molidos ymezclados en medio alcohólico. Luego de una etapade evaporación del alcohol y secado, se prensa elpolvo en forma de cilindros del tamaño deseado.Estas piezas son llevadas a un horno eléctrico atemperaturas cercanas a 1300 ºC con el fin deobtener un material de muy alta densidad con unaestructura de granos de óxido de estaño rodeadosFigura 2. Varistores comerciales (a) para alta y (b)para baja tensión.Figura 1. Campos de aplicación de los varistores como supresores de pulsos y estabilizadores de tensión.Figura 5. Proceso simplificado de obtención de varistoresde SnO2.22NEXOSARTICULOFigura 6. Corte transversal de un varistor. Los bordes degrano constituyen una barrera al paso de la corrientepor una región intergranular (bordes de grano)enriquecida con algunos de los aditivos empleados.A través de estudios sistemáticos, se ha establecidoque algunos óxidos metálicos estimulan ladensificación y el crecimiento de los granos de SnO2mientras que otros influyen especialmente sobre laspropiedades eléctricas del material. Lascaracterísticas del tratamiento térmico, comotemperatura, velocidades de calentamiento y deenfriamiento y atmósfera, son tan determinantesde las propiedades del dispositivo final como lo sonlos óxidos aditivos seleccionados.Finalmente, se depositan electrodos de platasobre ambas caras del varistor y se lleva a cabo lacaracterización de las propiedades micro-estructurales y eléctricas con el fin de asegurar lareproducibilidad de sus especificaciones. Lascaracterísticas microestructurales y las fases cristalinaspresentes se estudian a través de técnicas demicroscopía electrónica y difracción de rayos X,mientras que las propiedades eléctricas se analizana través de espectroscopía de impedancia y de larespuesta de la corriente en función de la tensiónaplicada.4. Principio de la acción varistoraEl comportamiento eléctrico característicode un varistor está representado en la Figura 4, enla que se emplea la representación logarítmica dadoque las variaciones de corriente y tensión abarcanvarios órdenes de magnitud. El varistor, conectadoen paralelo con el equipo que se desea proteger(Figura 5), en condiciones normales de operaciónse halla sujeto a tensiones por debajo de su tensiónde ruptura característica ( ) y, por lo tanto, sólopasa a través de él una corriente muy baja llamadacorriente de fuga. Cuando la tensión alcanza unvalor tal que la  es superada, por ejemplo duranteun pico de tensión en el suministro, el varistor sehace muy conductor y desvía hacia sí la corriente.De esta manera, el dispositivo absorbe el exceso deenergía y evita la destrucción total o parcial denuestro equipo. Cuando la tensión vuelve a su valornormal, el varistor también retorna a su estadoinicial. Este cambio entre los estados de alta y bajaresistividad es reversible y no es necesario reemplazarel varistor como si se tratara de un fusible ordinario.El concepto primordial detrás de la acciónvaristora consiste en que las características tensión-corriente dependen de la existencia de una barreraelectrostática en los bordes de grano que controlael paso de la corriente. La Figura 6 muestra unesquema de la microestructura de un varistor dondese ven los granos y los bordes de grano. El materialpresente en los bordes de grano es también elmaterial semiconductor que conforma los granosdel cerámico (ZnO o SnO2) pero alberga, además,Figura 4. Curva característica de corriente ( ) en funciónde la tensión ( ).Figura 5. El varistor se conecta con el equipoque se desea proteger.23Año 12 - Nexos 21 / Diciembre de 2005ARTICULO5. Comentario finalEl desarrollo de varistores de SnO2 ha dadolugar a nuevos materiales electrocerámicos con unaaplicación concreta. Ofrecen una manera simple,económica e inofensiva para nuestro ambiente deproteger sistemas eléctricos contra picos de tensióny tormentas eléctricas. Pueden ser fabricados amedida para aplicaciones específicas, e incluso, enuna gran variedad de tamaños. Sin embargo, enmuchos aspectos son necesarios estudios másprofundos sobre las propiedades de los bordes degrano con el fin de establecer los mecanismos básicosde conducción y degradación para así desarrollardispositivos más confiables. En la División Cerámicosdel INTEMA se trabaja con varistores de óxido deestaño y se han realizado estudios sobre la influenciade diversos óxidos metálicos en el desarrollo de lamicroestructura y en las propiedades eléctricas deestos sistemas [4,5].Rodrigo Parra  es Licenciado en Química por laUNMdP. Actualmente integra la División Cerámicosdel INTEMA y cursa el Doctorado en Ciencia deMateriales en la Facultad de Ingeniería de la mismauniversidad. Su tesis doctoral trata sobre la.rparra@fi.mdp.edu.arfases minoritarias, defectos y aditivos o dopantes.Estos defectos y dopantes son los responsables deque la resistencia de la región intergranular sea entre100 y 1000 veces mayor que la resistencia de losgranos, por lo que definen y controlan elcomportamiento eléctrico global del material.1. D.R. Clarke, , 82 (3), 485-502 (1999)2. M. Matsuoka, en , ed. L.M. Levinson,, Ohio (1981)3. S.A. Pianaro, P.R. Bueno, E. Longo, J.A.Varela, , 14, 692-694 (1995)4. R. Parra, M.S. Castro, J.A. Varela, , 25, 401-406 (2005)5. R. Parra, C.M. Aldao, J.A. Varela, M.S.Castro, 14(2), 149-156 (2005)Citas:

Materiales electrocerámicos para la protección de equipos electrónicos y redes de alta tensión

LAReferencia - Red Federada de Repositorios Institucionales de Publicaciones Científicas Latinoamericanas

https://ri.conicet.gov.ar/bitstream/11336/94557/2/CONICET_Digital_Nro.613a9926-a367-4476-bd68-ba6116bd9f16_A.pdf

Materiales electrocerámicos para la protección de equipos electrónicos y redes de alta tensión

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

CONICET Digital

LAReferencia - Red Federada de Repositorios Institucionales de Publicaciones Científicas Latinoamericanas