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Principe de la protection
Les varistances permettent leurs utilisations en tant qu’élément de protection des circuits électriques contre les surtensions momentanées. Le domaine d’application est très large. Il s’étend de la protection des circuits et appareils électroniques de consommation (électroménager) à l’électrotechnique (dispositif haute tension).
La varistance doit être placée en parallèle avec l’élément à protéger. Dans les conditions normales de courant et de tension, la résistance de la varistance est élevée et le courant i passe donc préférentiellement dans le système X.
La varistance est alors soumise à la tension du réseau. Elle est traversée en permanence par un courant très Faible (courant de fuite If).
Par contre en condition de surtension c’est-à-dire lorsque la tension dépasse la tension dite de seuil la varistance devient conductrice et écrête la surtension en écoulant l’énergie correspondante à la terre, le courant augmente provoquant ainsi une chute de la résistance de la varistance. Ce courant intense passe préférentiellement dans la varistance.
La surtension est ainsi absorbée par la varistance : l’énergie électrique accompagnant la surtension est convertie en énergie thermique et se diffuse dans la microstructure de la céramique. Néanmoins, il faudrait que la varistance fasse passer cette énergie sans qu’elle explose ou qu’elle se dégrade d’une façon irréversible. Ceci introduit à la varistance d’autres propriétés qui sont : la capacité d’absorption de l’énergie et le coefficient de dégradation.
Par ailleurs, l’écrêtement de la surtension se fait en en laissant une partie, appelée tension résiduelle. Il faudrait aussi que cette dernière ne soit pas trop élevée. C’est une autre propriété de la varistance à considérer.
Après dissipation de la surtension, la résistance de la varistance reprend sa valeur initiale et l’élément X reste protégé.
Microstructure réelle de la varistance ZnO
Les varistances sont obtenues par frittage. Elles se présentent sous la forme de disques compacts constitués essentiellement d’oxyde de zinc ZnO et de faibles ajouts (0.1 à 5 % en masse) tels que, l’oxyde d’antimoine Sb2O3 , l’oxyde de bismuth Bi2O3 l’oxyde de cobalt Co3O4, l’oxyde de manganèse Mn2O3 …….. le matériau obtenu après frittage est polycristalline et hétérogène. La microstructure des varistances ZnO dépend essentiellement de la composition chimique et du traitement thermique utilisé pour le frittage. Au cours d’un procédé de fabrication, la taille moyenne des grains de ZnO oscille autour de 15µm et l’épaisseur des joints de grains varie entre 20 et 500 Å.
Les observations au microscope électronique à balayage (MEB), ainsi que celles en diffraction des rayons X (DRX) montrent généralement l’existence de trois phases dans la microstructure d’une varistance ZnO . En plus des grains de ZnO, deux autres phases sont observées entre ces grains ZnO : la phase spinelle : Zn7Sb2O12, la phase bi-rich ou pyrochlore : Zn2Bi3Sb3O14.
Représentation simplifiée de la microstructure
Il est reconnu que la base du processus de formation d’une varistance est pendant le frittage des grains de ZnO. Durant ce cycle, les différents éléments chimiques sont distribués dans la microstructure de telle sorte que la région environnante du joint de grains devient fortement résistive et l’intérieur des grains conducteur.
La largeur de cette région, joint de grains plus deux petites parties intérieures des grains adjacents dite zone de déplétion est comprise entre 0,05 et 0,1 µm. Ainsi, à chaque joint de grains, il existe une zone de déplétion à ses deux cotés et qui s’étend jusqu’à l’intérieur du grain. L’effet varistance résulte d’ailleurs de la présence de cette zone de déplétion entre les grains.
Lorsqu’une différence de potentiel est appliquée aux bornes de la varistance ZnO, c’est dans la zone de déplétion désertée par les électrons, que se fait la chute de tension. C’est ce qu’on appelle d’ailleurs barrière de potentiel dont la valeur est comprise entre 2 et 4 V par joint de grains. L’existence de la zone de déplétion de part et d’autre du joint de grains, permet à la varistance d’avoir une symétrie de la polarité. Ceci permet à la varistance de présenter une caractéristique électrique semblable à celle de deux diodes montées en antiparallèle.
Structure de bandes du ZnO
Les valeurs de la bande interdite du ZnO données par la littérature se situent entre 3,1 eV et 3,3 eV pour une température T=300°K. La structure de bandes de conduction et de valence dans le ZnO est déterminée par des mesures optiques (analyse de la structure excitonique, absorption intrinsèque). La bande interdite du ZnO est alors considérée large. Par conséquent à l’état stœchiométrique, l’oxyde de zinc se comporte pratiquement comme un isolant. Néanmoins le ZnO est très connu par son excès d’atomes de Zn dans son réseau cristallin (stoechiomètrie). Ces atomes se placent aux sites interstitiels et agissent comme donneurs, la teneur de ces atomes pouvant varier de 48 à 765 ppm . Ils font du ZnO un semi-conducteur de type n.
En outre, l’ensemble des défauts donneurs et accepteurs qui font intercaler des niveaux d’énergie entre la bande de conduction et la bande de valence font du ZnO un semi-conducteur au lieu d’un isolant.
Barrières de Schottky
Soit un métal M et un semi-conducteur S de type n. Soit EFM le niveau de Fermi du métal et EFS celui du semi-conducteur. Si l’on met en contact les deux matériaux, comme EFM est inférieur à EFS, il apparaît un transfert d’électrons du semi-conducteur vers le métal, pour établir l’équilibre du nouveau système c’est à dire l’alignement des deux niveaux de Fermi.
Ce transfert d’électrons laisse la région de contact du semi-conducteur déficitaire en électrons, et riche en ions donneurs positifs. Ainsi une zone de déplétion (ou zone désertée) dans laquelle apparaît une densité de charge positive Nd se forme. Le métal, par contre, aura une charge superficielle négative QS. La jonction métal semi-conducteur (M-S) est appelée barrière de Schottky. Elle est caractérisée par une hauteur φB (eV) et une largeur ω0 (m). Lors du passage de courant, celui-ci devra franchir cette barrière, c’est donc un courant non linéaire qui traversera le système.
En transférant ce modèle aux varistances, les zones de déplétions à la surface de deux grains de ZnO en contact, peuvent être considérés comme deux barrières de Schottky montées dos à dos . En effet dans la varistance, la présence d’états accepteurs aux joints de grains a pour effet d’engendrer des zones désertées en électrons à l’intérieur des grains au voisinage de la jonction, créant ainsi des barrières de potentiel de type Schottky. Ce sont donc ces barrières de potentiel qui sont responsables du comportement non linéaire de la varistance.
Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Les varistances ZnO
1. Introduction
2. Caractéristiques fondamentales des varistances ZnO
2.1. Propriétés électriques
2.1.1. La caractéristique courant-tension I (V)
2.1.2. Principe de la protection
2.1.3. Grandeurs caractéristiques
2.2. Microstructure
2.2.1. Microstructure réelle de la varistance ZnO
2.2.2. Représentation simplifiée de la microstructure
2.2.3. Circuit électrique équivalent
2.3. Propriétés chimiques
2.3.1. Structure cristallographique
2.3.2. Structure de bandes du ZnO
2.4. Propriétés physiques
2.4.1. Barrières de Schottky
2.4.2. Modèle des défauts atomiques
2.4.3. Diagramme des bandes de la double barrière de potentiel
2.4.4. Les modèles de conduction
2.4.5. Conclusions
2.5. Dégradations des varistances ZnO
2.5.1. Causes de la dégradation
2.5.2. Types de dégradation
2.5.3. Mécanismes de dégradations des varistances ZnO
2.5.4. Conclusions
Chapitre II : Les surtensions
1. Introduction
2. Les surtensions temporaires
3. Les surtensions transitoires
3.1. Les surtensions de manœuvres
3.2. Les surtensions de foudre
4. Protection contre les surtensions
4.1. L’éclateur
4.2. Le parafoudre
4.3. Dimensionnement des parafoudres
4.4. Spécifications des parafoudres
4.5. Tension résiduelle des parafoudres
4.6. Durée de vie des parafoudres
5.Coordination des isolements
5.1. Gradation de l’isolement
5.2.Gradation des niveaux d’isolement dans un réseau
Chapitre III : Etude expérimentale
1. Plan de l’étude expérimentale
1.1. Formulations chimiques utilisées
1.2. Effets des additifs
1.3. Méthode de fabrication
1.4. Les objectifs des essais
2. Essais pour la détermination de la caractéristique I(V)
Chapitre IV : Résultats et discussions
1. Introduction
2.Analyses des microstructures
2.1.Analyses des photomicrostructures
2.2.Analyses stéréologiques
2.3.Analyses des spectres EDS
3. Résultats des essais électriques
4. Interprétations
Conclusions et perspectives
Annexes
Bibliographie
