Varistance ` a base de materiaux ceramiques

Une varistance est un ´el´ement passif qui prot`ege les circuits ´electroniques et ´electrotechniques contre les surtensions. La varistance, ou varistor en anglais, d´esign´ee aussi sous par l’abr´eviation anglaise VDR (voltage dependent resistor) sont des dispositifs semi-conducteurs en c´eramique polycristallins, poss´edant une microstructure et une composition particuli`ere, Sa principale caract´eristique est la non-lin´earit´e ´elev´ee [41]. On rencontre dans la litt´erature, plusieurs types des varistances. Les premieres varistances utilis´ees ´

etaient `a base de carbure de silicium (SiC), mais les varistances les plus connues et les plus r´epandues sont constitu´ees d’oxyde de zinc (ZnO).Ce type a ´et´e d´evelopp´ees par Matsuoka et son groupe de recherche `a Matsushita Electric (Japon) en 1968 . La varistance est mont´ee en parall`ele dans les circuits `a prot´eger,

Figure I.17 — Sch´ema de fonctionnement d’une varistance ZnO a)Condition nor-male b) condition de surtension

Elle est caract´eris´ee par une r´esistance non lin´eaire qui chute consid´erablement quand la tension augmente. en r´egime de surtension la r´esistance chute subitement pour d´evier le courant, et donc la surtension, vers la terre. Par contre en fonctionnement normal et en l’absence de surtension, la r´esistance de la varistance est tr`es ´elev´ee et empˆeche le passage du courant electrique figure I.17 . On peut aussi d´efinir, l’effet varistance par la chute de la r´esistance . Le composant est donc caract´eris´e par une courbe I(V) non lin´eaire. `A basse tension, le mat´eriau se comporte comme une thermistance. Les principaux capteurs de temp´erature utilis´es en ´electronique sont bas´es sur la loi de variation d’une r´esistance.

Une thermistance (ou thermistor, version anglaise d´eriv´ee de resistor) est un composant passif qui a pour caract´eristique de voir sa r´esistance (la r´esistance d’oxydes m´etalliques) varier en fonction de la temp´erature `a laquelle elle est expos´ee. Il existe deux types de thermistance figureI.18 :

Figure I.18 — les CTN et les CTP.

– Les CTN (Coefficient de Temp´erature N´egatif, en anglais NTC, Negative Temperature Coefficient) sont des thermistances dont la r´esistance diminue de fa¸con uniforme avec la temp´erature [42].

– Les CTP (Coefficient de Temp´erature Positif, en anglais PTC, Positive Temperature Coefficient) sont des thermistances dont la r´esistance augmente fortement avec la temp´erature [43].

I.6.6.1 Microstructure

La microstructure des varistances `a base d’oxyde de zinc peut ˆetre assimil´ee `a un mod`ele simple dans lequel chaque grain de ZnO (semi-conducteur de type N) de conductivit´e tr`es ´elev´ee et de taille presque homog`ene est entour´e par une couche inter granulaire (d’un diam`etre moyen d’environ 10µm) fortement isolant (figureI.19) . Ces interfaces d´eterminent les propri´et´es non lin´eaires des c´eramiques[44].

Figure I.19 — Repr´esentation approximative de la microstructure r´eelle d’une varistance[45].

I.6.6.2 Application des varistances

Les caract´eristiques non lin´eaires des varistances les rendent id´eales pour une utilisation en tant que dispositifs de protection contre les surtensions.

Les varistances sont utilis´ees dans toutes applications n´ecessitant la limitation d’une surtension, par absorption de l’´energie correspondante, par exemple :

– Protection des contacts (contacteurs, relais) par diminution de l’´energie destructrice des ´etincelles de coupure

– Protection des ensembles statiques qui alimentent les excitations de machines tournantes, – D´emagn´etisation rapide des alternateurs hydrauliques et thermiques de grande puissance,

– Limitation des surtensions produites lors de la coupure de circuits fortement inductifs (´electro-aimants, excitation de machines, bobines...),

– Protection de tout mat´eriel ´electronique contre les surtensions (les parafoudres).

Les Parafoudres `a ZnO : Un coup de foudre est une d´echarge ´electrique caract´eris´ee par des courants de hautes fr´equences, de fortes amplitudes et de courtes dur´ees.Le tonnerre n’est autre que l’onde de choc sonore qui accompagne cette d´echarge.

Figure I.20 — Coupe d’un parafoudre

Les parafoudres sont constitu´es d’un empilement en s´erie ou en parall`ele des varistances ZnO, ces composants ont ´et´e con¸cus dans le but d’assurer une meilleure protection des installations ´

electrique et ´electronique et une bonne continuit´e de service figureI.20.

les parafoudres `a oxyde de zinc (ZnO) r´eagissent comme des r´esistances fortement non-lin´eaires. dans des conditions normales de service, la r´esistance de plusieurs M´egohms et le courant qui reste faible (de l’ordre du mA) limite la puissance dissip´ee. dans des conditions de surtension, la r´esistance chute de mani`ere importante (jusqu’`a environ 5 ou 10 ohms), limitant ainsi la tension aux bornes du parafoudre et donc de l’´equipement pendant la dur´ee d’´ecoulement du courant de foudre vers la terre [6][46].

Caract´eristiques du courant foudre : Le coup de foudre est ´equivalent `a un g´en´erateur de courant. Un coup de foudre est en g´en´eral constitu´e de plusieurs d´echarges partielles s’´ecoulant par le mˆeme canal ionis´e. Lorsque la d´echarge principale est termin´ee, apr`es une dur´ee d’environ 100 ms il apparaˆıt une ou plusieurs d´echarges secondaires figureI.21.

Effets de la foudre : Les effets de la foudre, de par leur origine, peuvent ˆetre identifi´es suivant deux cat´egories :

Figure I.21 — Forme du courant de la foudre[45]

1. les effets directs li´es `a la circulation du courant de foudre ;

2. les effets indirects se traduisant par des surtensions dans les ´el´ements conducteurs

I.6.7 Photocatalyseurs

La catalyse est un domaine important en chimie, puisque 90 % des processus chimiques impliquent un proc´ed´e catalytique dans au moins une de leurs ´etapes.

Le d´eveloppement de mat´eriaux photocatalytiques efficaces permettrait d’utiliser de mani`ere plus ration-nelle l’´energie solaire et d’apporter ainsi des solutions `a de nombreux probl`emes environnementauxI.22[47]. La photocatalyse est utilis´ee en g´en´eral pour la purification de l’air et le traitement de l’eau. Son prin-cipe consiste `a provoquer, sous l’action d’un rayonnement lumineux (solaire ou artificiel), en pr´esence d’oxyg`ene et d’humidit´e, la d´egradation des mati`eres, principalement organiques, solides, liquides ou gazeuses [48]. Son principe inclut trois ´etapes :

Production de paires ´electron/lacune positive : Lorsque le semi-conducteur est irradi´e avec une source lumineuse ad´equate, dont l’´energie est sup´erieure ou ´egale au gap, des ´electrons se lib`erent en passant de la bande de valence `a la bande de conduction et ainsi de former des paires ´electron/trou.

S´eparation des ´electrons et des lacunes : La dur´ee de vie de ces paires ´electron/trou est suffisante pour former un syst`eme d’oxydo-r´eduction et permettre la capture des e- par des accepteurs et le remplissage des trous par des donneurs.

R´eactions d’oxydation et de r´eduction : les charges cr´e´ees migrent `a la surface du catalyseur et r´eagissent avec des substances adsorb´ees susceptibles d’accepter ou de donner des ´electrons.

Plusieurs semi conducteurs ont une largeur de la bande interdite suffisante pour permettre la photocata-lyse comme : TiO2, SnO2 et ZnO.

Figure I.22 — Principe de La photocatalyse.

I.7 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons pr´esent´e tout d’abord quelques g´en´eralit´es concernant les mat´eriaux c´eramiques. Ces g´en´eralit´es incluent les diff´erentes caract´eristiques de ces mat´eriaux, ainsi que leurs applications, surtout dans le domaine ´electrique et ´electronique. Ensuite, nous avons pris l’oxyde de zinc comme cas particulier et nous avons termin´e par une pr´esentation bien d´etaill´e sur les propri´et´es de cet oxyde et bien sˆur quelques applications de ce mat´eriau. Dans le chapitre qui suit, nous allons proc´eder `a une ´etude d´etaill´ee sur les capteurs `a base de mat´eriau c´eramique.

ETUDE DES CAPTEURS-CAS DES