وریستور و کاربرد آن (بخش اول)

وریستور چیست؟

وریستور یک قطعه نیمه هادی حالت جامد دارای دو ترمینال منفعل است که برای حفاظت در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی بکار می رود.

بر خلاف فیوز یا قطع کننده مدار که محافظت بیش از حد جریان را ارائه می دهد ، وریستور از طریق بستن ولتاژ به روشی مشابه دیود زنر محافظت از ولتاژ را فراهم می کند. کلمه “Varistor” ترکیبی از کلماتی است که VARI-resi-STOR قادر به توصیف نحوه عملکرد در روزهای ابتدایی توسعه خود است که کمی گمراه کننده است زیرا وریستور نمی تواند به صورت دستی مانند پتانسیومتر یا رئوستا تغییر کند.

اما برخلاف یک مقاومت متغیر که مقدار مقاومت آن می تواند به صورت دستی بین مقادیر حداقل و حداکثر آن متغیر باشد ، وریستور مقدار مقاومت خود را بطور خودکار با تغییر ولتاژ در سراسر آن تغییر می دهد و آن را به یک مقاومت وابسته به ولتاژ ، غیرخطی یا به اختصار VDR  تبدیل می کند.

امروزه بدنه مقاومت وریستور از ماده نیمه هادی ساخته شده است و آن را به نوعی مقاومت نیمه هادی با ولتاژ متقارن غیر اهمی و مشخصه های جریان مناسب برای کاربردهای هر دو ولتاژ AC و DC تبدیل می کند. از بسیاری جهات ، وریستور از نظر اندازه و طراحی به یک خازن شباهت دارد و اغلب به عنوان یکی از آنها اشتباه گرفته می شود. با این حال ، یک خازن نمی تواند موجبات افزایش ولتاژ را به همان روشی که می تواند وریستور باشد.

هنگامی که یک ولتاژ بالا به مدار اعمال می شود ، نتیجه معمولاً فاجعه بار است ، بنابراین وریستور نقش مهمی در محافظت از مدارهای الکترونیکی ظریف از تعویض نوسانات و گذر از ولتاژ دارد.

موج ناپایدار

موجهای گذرا(ناپایدار) از مدارهای الکتریکی گوناگون و صرف نظر از اینکه آنها با منبع تغذیه AC یا DC کار می کنند نشأت می گیرد زیرا آنها اغلب در درون مدار تولید می شوند یا از منابع خارجی به مدار منتقل می شوند.

ناپایداری در یک مدار می تواند به سرعت ولتاژ را به چند هزار ولت افزایش دهد ، و این نوسانات ولتاژ است که باید از حضور آن در مدارهای الکترونیکی و اجزای ظریف جلوگیری کرد.

یکی از منابع متداول ولتاژ گذرا ولتاژ اثر L(di/dt) است که در اثر جابجایی کویلهای القایی و جریان های مغناطیس سازی ترانسفورماتور ، تغییر سوئیچینگ موتور DC و موج های مختلف از سوئیچینگ مدارهای روشنایی فلورسنت یا دیگر موج های منبع تغذیه ایجاد می شود.

.

شکل موج گذرا AC

وریستورها در مدارهای متصل به یک شبکه اصلی یا فاز به خنثی ، فاز به فاز برای عملکرد AC یا مثبت به منفی برای عملکرد DC متصل شده و دارای یک ولتاژ با توجه به کاربرد آنها هستند. وریستور همچنین می تواند برای تثبیت ولتاژ DC و به خصوص برای محافظت از مدار الکترونیکی در برابر پالسهای ولتاژ استفاده شود.

مقاومت استاتیکی وریستور

در حالت عادی وریستور از مقاومت بسیار بالایی برخوردار است ، از این رو بخشی از نام آن است که به روشی مشابه با دیود زنر با اجازه دادن به ولتاژهای آستانه پایین تر تحت تأثیر قرار می گیرد. با این حال ، هنگامی که ولتاژ در سراسر وریستور (هر دو قطب) از مقدار نامی آن فراتر رود ، مقاومت موثر آن با افزایش ولتاژ همانطور که نشان داده می شود به شدت کاهش می یابد.

ما از قانون اهم می دانیم که مشخصه های ولتاژ جریان (I-V) یک مقاومت ثابت یک خط مستقیم است به شرط آنکه R ثابت باشد. سپس جریان مستقیماً با اختلاف احتمالی در انتهای مقاومت مقاومت متناسب است. اما منحنی I-V یک وریستور یک خط مستقیم نیست زیرا تغییر کوچک ولتاژ باعث تغییر قابل توجه جریان می شود. یک ولتاژ عادی ولتاژ عادی نسبت به مشخصه های فعلی برای یک وریستور استاندارد در زیر آورده شده است.

منحنی مشخصه وریستور

می توان از بالا مشاهده کرد ، که واریستور دارای خصوصیات دو طرفه متقارن است ، یعنی وریستور در هر دو جهت (ربع Ι و ΙΙΙ) از یک شکل موج سینوسی عمل می کند و به روشی مشابه با دو دیود زنر که از عقب متصل شدند عمل می کند. در صورت عدم انجام ، منحنی I-V رابطه خطی را نشان می دهد زیرا جریان جاری از طریق واریستور تنها در چند میکرو آمپر جریان “نشت” ثابت و کم باقی می ماند.

این به دلیل مقاومت بالای آن است که به عنوان یک مدار باز عمل می کند و تا زمانی که ولتاژ در سراسر وریستور (یا قطب) به یک “ولتاژ نامی” خاص برسد ، ثابت می ماند. این ولتاژ نامی یا تثبیت شده ولتاژی ست که در سراسر وریستور با جریان DC مشخص شده ۱mA اندازه گیری می شود.

یعنی ، سطح ولتاژ DC اعمال شده در پایه های آن است اجازه میدهید که جریان ۱ میلی آمپر از طریق بدنه مقاومت واریستور که خود آن به مواد مورد استفاده در ساخت آن وابسته است ، عبور یابد. در این سطح ولتاژ ، وریستور از حالت عایق خود به حالت رسانای خود تغییر می کند.

برخورد وریستور هنگام ولتاژ گذرا

هنگامی که ولتاژ ناپایدار گذرا در سراسر وریستور مساوی یا بیشتر از مقدار نامی باشد ، مقاومت قطعه ناگهان بسیار کوچک می شود و به دلیل اثر بهمنی ، ماده نیمه هادی آن ، وریستور را به یک هادی تبدیل می کند.

جریان نشتی کوچکی که از طریق وریستور جریان می یابد به سرعت افزایش می یابد اما ولتاژ موجود در آن به یک سطح ثابت بالاتر از ولتاژ وریستور محدود می شود. به عبارت دیگر ، واریستور با اجازه دادن به عبور جریان بیشتر ، ولتاژ ناپایدار را در اطراف آن تنظیم می کند و به دلیل منحنی I-V شیب غیرخطی آن می تواند جریانهای متفاوتی را از طیف ولتاژ باریک عبور دهد و هرگونه نوسان ولتاژ را قطع کند.

مقادیر ظرفیت خازنی وریستور

از آنجا که ناحیه اصلی انتقال یک وریستور بین دو پایه آن مانند یک دی الکتریک رفتار می کند ، در زیر ولتاژ قطع آن ، وریستور بجای مقاومت مانند یک خازن عمل می کند . هر وریستور یک نیمه هادی دارای یک ظرفیت خازنی است که با سطح آن رابطه مستقیم و با ضخامت آن رابطه عکس دارد.

هنگامی که در مدارهای DC استفاده می شود ، ظرفیت وریستور کم و بیش ثابت باقی می ماند به شرط آنکه ولتاژ اعمال شده بالاتر از سطح ولتاژ قطع یا بستن نباشد ، و به طور ناگهانی به طرف حداکثر ولتاژ نامی مداوم DC خود افت کند. اما در مدارهای AC این ظرفیت خازنی می تواند بر مقاومت بدنه قطعه در ناحیه نشت غیر از خصوصیات I-V آن تأثیر بگذارد.

از آنجا که معمولا به طور موازی با یک وسیله برقی به منظور محافظت از آن در برابر اضافه ولتاژ متصل می شوند ، مقاومت نشتی وریستورها با افزایش فرکانس به سرعت کاهش می یابد.

این رابطه تقریباً با فرکانس و مقاومت موازی حاصل از آن خطیست ، مقاومت القایی یا خازنی(راکتانس) AC آن ، Xc را میتوان با استفاده از یک رابطه ساده (۱) / (۲πƒC)  برای یک خازن معمولی قابل محاسبه کرد. سپس با افزایش فرکانس جریان نشتی خود را افزایش می دهد. اما در کنار واریستور نیمه هادی سیلیکونی ، وریستورهای اکسید فلزی برای غلبه بر برخی از محدودیت های مرتبط بابه اصطلاح پسرعموی کاربید سیلیکونی خود ساخته شده اند.

وریستور اکسید فلزی 

 Metal Oxide Varistor یا MOV ، یک مقاومت وابسته به ولتاژ است که در آن ، ماده مقاومت یک اکسید فلزی است ، و در درجه اول اکسید روی (ZnO) درون یک ماده سرامیک مانند فشرده می شود. وریستورهای اکسید فلزی از تقریباً ۹۰٪ اکسید روی به عنوان یک ماده پایه سرامیکی بعلاوه سایر مواد پرکننده برای تشکیل اتصالات بین دانه های اکسید روی تشکیل شده اند.

در حال حاضر وریستورهای اکسید فلزی متداولترین قطعه بستن ولتاژ هستند و در طیف گسترده ای از ولتاژها و جریانها برای استفاده در دسترس هستند. استفاده از اکسید فلزی در ساخت آنها بدان معنی است که MOV در جذب ولتاژ ناپایدار در یک زمان کوتاه بسیار مؤثر است و از قابلیت انتقال انرژی بالاتری برخوردار است. همانند واریستور معمولی ، وریستور اکسید فلزی انتقال در یک ولتاژ خاص هدایت جریان را آغاز می کند و هنگامی که ولتاژ زیر ولتاژ آستانه می افتد ، انتقال را متوقف می کند.

تفاوت  بین واریستور SiC و MOV

تفاوت اصلی بین واریستور کاربید سیلیکون استاندارد (SiC) و واریستور از نوع MOV در این است که جریان نشت از طریق ماده اکسید روی MOV در شرایط عملیاتی جریان بسیار کمی دارد و سرعت عملکرد آن در بستن ناپایداری بسیار سریعتر است. MOV معمولاً دارای شعاعی و یک پوشش اپوکسی بیرونی سخت آبی یا سیاه است که از نزدیک شبیه به خازن های سرامیکی دیسک است و می تواند به صورت فیزیکی روی تخته های مدار و PCB نصب شود.

ساخت واریستور اکسید فلزی معمولی

برای انتخاب صحیح MOV برای یک کاربرد خاص ، بهتر است که از امپدانس منبع و قدرت احتمالی پالس گذرا اطلاع داشته باشید. برای خطوط ورودی یا فاز تحمل شده گذرا ، انتخاب MOV صحیح کمی دشوارتر است زیرا معمولاً مشخصات منبع تغذیه ناشناخته است. به طور کلی ، انتخاب MOV برای حفاظت الکتریکی مدارها از ناپایداری منبع تغذیه و نوسان ها معمولاً کمی بیشتر از یک حدس حاصل شده است.

با این حال ، وریستورهای اکسید فلزی در طیف گسترده ای از ولتاژهای وریستور ، از حدود ۱۰ ولت تا بیش از ۱۰۰۰ ولت AC یا DC موجود هستند ، بنابراین با شناخت منبع ولتاژ می توان به انتخاب کمک کرد.

به عنوان مثال ، یک MOV یا وریستور سیلیکونی برای آن موضوع انتخاب کنید ، برای ولتاژ ، حداکثر میزان ولتاژ موثر یا rms  آن باید حتما بالاتر از بالاترین ولتاژ مورد انتظار منبع ولتاژ باشد . یعنی می گوید ۱۳۰ ولت rms برای یک منبع ۱۲۰ ولت ، و ۲۶۰ ولت rms برای منبع ۲۳۰ ولت. حداکثر مقدار جریانی که وریستور از آن استفاده می کند بستگی به عرض پالس گذرا و تعداد تکرارهای پالس دارد.

فرضیات را می توان با عرض پالس گذرا که بطور معمول بین ۲۰ تا ۵۰ میکروثانیه طول دارند ، انجام داد. اگر پیک پالس میزان جریان کافی نباشد ، ممکن است وریستور بیش از حد گرم شود و آسیب ببیند. بنابراین برای اینکه وریستور بدون هیچگونه خرابی و تخریب فعالیت کند ، باید بتواند انرژی جذب شده پالس گذرا را به سرعت تخلیه کرده و با خیال راحت به وضعیت پیش پالس خود برگردد.

موارد کاربردی وریستور

وریستورها دارای مزایای بسیاری هستند و می توان در بسیاری از انواع مختلف کاربردها برای سرکوب جریانهای اصلی از وسایل خانگی و روشنایی به تجهیزات صنعتی در هر دو خط برق AC یا DC استفاده کرد. برای محافظت از ترانزیستورها ، ماسفت و پل های تریستور ، ویاریستورها می توانند به طور مستقیم به منابع اصلی و سوئیچ های نیمه هادی وصل شوند.

کاربردهای دیگر وریستور

.

نحوه تست وریستور با مولتی متر

در قدم اول اگر وریستور سوخته یا ترکیده یا رنگ پریده باشد فورا باید عوض شود.

در غیر این صورت لحیم روی یکی از پایه های وریستور را برداشته و شروع به تست آن به وسیله مولتی متر میکنیم.مولتی متر را روشن کرده و روی تست مقاومت می گذاریم(در صورتی که مولتی متر اتورنج باشه روی حالت مقاومت و در صورتی که معمولی باشد روی گزینه ۱۰۰۰ اهم تنظیم میکنیم.)

یکی از پایه های مولتی متر را به پایه ی آزاد و دیگری را به پایه روی برد وصل می کنیم؛مقاومت را خوانده ، در صورتی که مقاومت نزدیک بی نهایت بود وریستور سالم است،و در صورتی که مقاومت کم نشان می داد،وریستور معیوب و خراب است.

در صورتی که وریستور معیوب باشد تعویض شود در غیر این صورت وریستور سالم بوده و به ادامه بررسی برد برای فهمیدن مشکل می پردازیم.دقت شود که این روش نشان دهنده سلامت صد در صد وریستور نبوده و امکان خطا وجود دارد.

بطور مختصر اگر مولتی متر را به دو سر وریستور وصل کنیم:

• در صورتی که هیچ امپدانسی نداشته باشد، قطعه سالم است.
• در صورتی که دارای مقاومتی با مقادیر متفاوت باشد، قطعه معیوب است.

.