وریستور چیست؟
وریستور چیست؟
وریستور یک قطعه نیمه‌هادی حالت جامد دو-ترمینالی غیر فعال است که برای محافظت از مدارهای الکتریکی و الکترونیکی استفاده می‌شود.
بر خلاف فیوز (Fuse) یا مدارشکن (Circuit breaker) که در برابر جریان های بیش از حد محافظت می‌کنند، وریستور از طریق محدود کردن ولتاژ به شیوه ای مشابه با دیود زنر، در برابر ولتاژ بیش از حد محافظت می‌کند.
کلمه «وریستور Varistor» ترکیبی از کلمات متغیر (VARI-able) و مقاومت (resi-STOR) است که سابقاً برای توصیف شیوه عملکردشان در دوران اولیه‌ی توسعه‌ی شان استفاده می‌شد و اندکی گمراه‌کننده است، زیرا وریستور را نمی‌توان به صورت دستی مانند پتانسیومتر یا رئوستات تنظیم کرد.
اما برخلاف مقاومت متغیر که مقدار مقاومتش را می‌توان به صورت دستی بین مقادر کمینه و بیشینه‌اش تغییر داد، وریستور مقدار مقاومت خود را به صورت خودکار با تغییر در ولتاژ دو سر خود تغییر می‌دهد که باعث می‌شود یک مقاومت غیر-خطی وابسته-به-ولتاژ یا به اختصار VDR باشد.
امروزه، بدنه‌ی مقاومتی وریستور از مواد نیمه‌هادی ساخته می‌شود که آن را به یک نوع مقاومت نیمه‌هادی با مشخصه‌های ولتاژ و جریان متقارن غیر-اهمی تبدیل می‌کند که برای هر دوی کاربردهای ولتاژ AC و DC مناسب است.
از بسیاری جنبه‌ها، وریستور از نظر اندازه و طراحی شبیه خازن به نظر می‌رسد و اغلب با آن اشتباه گرفته می‌شود. با این حال، خازن نمی‌تواند به شیوه‌ی وریستور از اضافه ولتاژ جلوگیری کند. زمانی که یک اضافه ولتاژ زیاد به مدار اعمال می شود، معمولاً پیامد فاجعه‌باری برای مدار دارد، بنابراین وریستور نقش مهمی را در محافظت از مدارهای الکترونیکی ظریف در برابر اسپایک‌های سوئیچینگ و یا ناپایداری‌های ولتاژی بیش از حد ایفا می‌کند.
اسپایک ولتاژهای لحظه ای از انواع مختلفی از مدارهای الکتریکی و منابع نشأت می‌گیرند، صرف نظر از اینکه از منبع تغذیه AC عمل می‌کنند یا از منبع تغذیه DC، زیرا آن‌ها اغلب در درون خود مدار تولید می‌شوند یا از منابع خارجی به مدار انتقال می‌یابند. ناپایداری‌های درون مدار می‌توانند به سرعت افزایش یابند، و ولتاژ را به چند هزار ولت افزایش دهند، و باید از بروز این اسپایک‌های ولتاژ در مدارها و قطعات الکترونیکی حساس جلوگیری کرد.
یکی از شایع ترین منابع ولتاژ لحظه ای اثر L(di/dt) است که ناشی از سوئیچینگ سیم‌پیچ‌های القایی و جریان‌های مغناطیس‌گر ترانسفورمر، کاربردهای سوئیچینگ موتور DC، و اضافه ولتاژهای ناشی از روشن کردن مدارهای روشنایی فلورسنت یا سایر اضافه ولتاژهای منبع تغذیه‌ای است.
ناپایداری‌های شکل موج AC
وریستورها در مدارها در دو سر منبع تغذیه شبکه به صورت فاز-به-نول، فاز-به-فاز برای عملکرد AC، و یا مثبت-به-منفی برای عملکرد DC متصل می‌شوند و حد مجاز ولتاژشان (ولتاژ نامی) متناسب با کاربردشان است. وریستور را می‌توان برای پایدارسازی ولتاژ DC و به ویژه برای محافظت از مدار الکترونیکی در برابر پالس های ولتاژ بیش از حد نیز به کار برد.
مقاومت استاتیک وریستور
در عملکرد نرمال، وریستور مقاومت خیلی بالایی دارد، همانطور که از بخشی از نامش مشخص است، و به شیوه ای مشابه با دیود زنر عمل می‌کند که اجازه می‌دهد ولتاژهای زیر آستانه بدون تغییر عبور کنند.
با این حال، زمانی که ولتاژ دو سر وریستور از مقدار نامی وریستور بیشتر می شود، مقاومت موثرش با افزایش ولتاژ شدیداً کاهش می یابد، همانطور که نشان داده شده است.
از قانون اهم می‌دانیم که مشخصه‌های جریان-ولتاژ (I-V) یک مقاومت ثابت یک خط مستقیم است، مشروط به آنکه R ثابت بماند. در این صورت، جریان مستقیماً با اختلاف پتانسیل دو سر آن مقاومت متناسب است.
اما منحنی I-V وریستور یک خط مستقیم نیست، زیرا یک تغییر کوچک در ولتاژ منجر به تغییری قابل توجه در جریان می شود. یک نمونه از منحنی مشخصه‌های ولتاژ بهنجار شده نسبت به جریان برای یک وریستور استاندارد در زیر ارائه شده است.
منحنی مشخصه‌های وریستور
از شکل بالا می‌توان دید که وریستور مشخصه‌های دو-جهتی متقارن دارد، یعنی وریستور در هر دو جهت یک شکل موج سینوسی عمل می‌کند (ربع ۱ و ۳) که رفتاری مشابه با دو دیود زنر دارد که پشت به پشت به هم وصل شده‌اند. زمانی که جریانی عبور نمی کند، منحنی I-V رابطه‌ای خطی را نشان می‌دهد، زیرا جریان عبوری از درون وریستور در مقداری ثابت و پایین، تنها چند میکروآمپر از جریان «نشتی»، باقی می‌ماند. این موضوع به دلیل مقاومت بالایی است که به صورت یک مدار باز عمل می‌کند و ثابت باقی می ماند، تا زمانی که ولتاژ دو سر وریستور به یک «ولتاژ نامی» خاص برسد.
این ولتاژ نامی یا محدود ولتاژ دو سر وریستور است که با جریان DC مشخص شده‌ی mA ۱ اندازه‌گیری می شود. به عبارتی، مقدار ولتاژ DC اعمال شده به دو ترمینالش که اجازه شارش جریان mA ۱ را از درون بدنه مقاومتی وریستور می‌دهد، که خود نیز به موارد استفاده شده در ساخت بستگی دارد. در این مقدار ولتاژ، وریستور شروع به تغییر از حالت عایق به حالت هادی می کند.
زمانی که ولتاژ لحظه‌ای در دو سر وریستور برابر با یا بزرگ‌تر از این مقدار نامی باشد، مقاومت این قطعه ناگهان بسیار کوچک می‌شود که باعث تبدیل این وریستور به هادی به دلیل اثر بهمنی ماده نیمه‌هادی اش می شود. جریان نشتی کوچک عبوری از درون وریستور به سرعت افزایش می یابد، اما ولتاژ دو سر آن به اندکی بالاتر از ولتاژ وریستور محدود است.
به عبارت دیگر، خود وریستور ولتاژ لحظه‌ای دو سر خود را با اجازه دادن به شارش جریان بیشتر تنظیم می‌کند و به دلیل منحنی I-V غیر-خطی پر شیبش می‌تواند جریان های بسیار متغیر را در یک محدوده ولتاژ باریک عبور دهد و جلوی هر گونه اسپایک ولتاژ را بگیرد.
مقادیر ظرفیت خازنی وریستور
از آنجا که منطقه رسانش اصلی یک وریستور بین دو ترمینالش مانند دی‌الکتریک عمل می کند، وریستور زیر ولتاژ محدود کننده اش مانند یک خازن، و نه مقاومت، عمل می کند. هر وریستور نیمه‌هادی یک مقدار ظرفیت خازنی دارد که مستقیماً به مساحت سطحش بستگی دارد و به طور معکوس با ضخامتش تغییر می کند.
زمانی که وریستور در مدارهای DC استفاده می‌شود، ظرفیت خازنیش کم و بیش ثابت باقی می‌ماند، مشروط به آنکه ولتاژ اعمال شده فراتر از سطح ولتاژ محدود کننده افزایش نیابد، و در نزدیکی ولتاژ DC پیوسته‌ی نامی بیشینه‌اش به طور ناگهانی افت می‌کند.
با این حال، در مدارهای AC، این ظرفیت می‌تواند بر مقاومت بدنه‌ی این قطعه در منطقه‌ی نشتی غیر-رسانای مشخصه‌های I-V اش تأثیر بگذارد. از آنجا که وریستورها معمولاً موازی با یک قطعه الکتریکی وصل می‌شوند تا از آن در برابر ولتاژهای بیش از حد محافظت کنند، مقاومت نشتی شان با افزایش فرکانس به سرعت افت می کند.
این رابطه تقریباً با فرکانس خطی است، و مقاومت موازی حاصل، یعنی مقاومت AC آن (Xc) را می‌توان با استفاده از رابطه معمول (۱/۲πƒC) برای یک خازن معمولی محاسبه کرد. بنابراین، زمانی که فرکانس افزایش می‌یابد، جریان نشتی آن نیز افزایش می یابد.
اما همانند وریستورهای مبتنی بر نیمه‌هادی سیلیکونی، وریستورهای اکسید فلزی برای رفع برخی از محدودیت‌های مرتبط با همتایان سیلیکون کربیدی شان توسعه داده شده‌اند.
وریستور اکسید فلزی
وریستور اکسید فلزی (به اختصار MOV) یک مقاومت وابسته به ولتاژ است که در آن، ماده مقاومتی یک اکسید فلزی است، عمدتا اکسید روی (ZnO) که به شکل یک ماده سرامیک مانند پرس می شود. وریستورهای اکسیدفلزی از تقریباً ۹۰٪ اکسید روی به عنوان ماده مبتنی بر سرامیک به اضافه مواد پر کننده دیگر برای تشکیل اتصالات بین دانه‌های اکسید روی تشکیل می شوند.
وریستورهای اکسید فلزی در حال حاضر رایج ترین نوع قطعه های محدود کننده ولتاژ هستند و برای محدوده وسیعی از ولتاژها و جریان‌ها در دسترس هستند. استفاده از یک اکسید فلزی در درون ساختارشان به این معنی است که MOV ها در جذب اسپایک های ولتاژ لحظه ای بسیار مؤثر هستند و قابلیت‌های جابجایی انرژی بالاتری دارند.
همانند وریستور نرمال، وریستور اکسید فلزی هدایت را در یک ولتاژ خاص شروع می‌کند و هدایت را در زمانی که ولتاژ زیر ولتاژ آستانه می‌رود قطع می کند. تفاوت‌های اصلی بین وریستور سیلیکون کربیدی (SiC) استاندارد و وریستور از نوع MOV این است که جریان نشتی عبوری از درون ماده اکسید روی MOV یک جریان بسیار کوچک در شرایط عملیاتی نرمال است و سرعت عملکردش در محدود کردن ناپایداری ها بسیار سریع‌تر است.
پکیج وریستورهای MOV عموما به صورت radial است و پوشش اپوکسی آبی یا سیاه بیرونی سخت دارند که بسیار شبیه به خازن های سرامیکی دیسکی است و می‌توانند به طور فیزیکی روی بوردهای مدار و PCB ها به شیوه ای مشابه سوار شوند. ساختار یک وریستور اکسید فلزی معمول به صورت زیر است:
ساختار وریستور اکسید فلزی
برای انتخاب یک MOV مناسب برای یک کاربرد خاص، مطلوب است که مقداری دانش در مورد امپدانس منبع و توان پالس ناپایداری‌ها داشته باشیم. برای ولتاژ های لحظه ای زیاد خطوط فاز، انتخاب MOV اندکی دشوارتر است، زیرا عموما مشخصه‌های منبع تغذیه مشخص نیستند. به طور کلی، انتخاب MOV برای محافظت فیزیکی از مدارها در برابر ناپایداری های منبع تغذیه و اسپایک ها اغلب اندکی فراتر از یک حدس فکر شده است.
با این حال، وریستورهای اکسید فلزی در انواع گسترده‌ای از ولتاژهای وریستور در دسترس هستند، از حدوداً ۱۰ ولت تا بیش از ۱۰۰۰ ولت AC یا DC، بنابراین دانستن ولتاژ منبع به این انتخاب کمک می کند. برای مثال، انتخاب MOV یا وریستور سیلیکونی برای آن منظور، برای ولتاژ، محدوده ولتاژ rms پیوسته‌ی بیشینه‌اش باید اندکی بالاتر از بیشترین ولتاژ مورد انتظار منبع باشد، مثلاً ۱۳۰ ولت rms برای یک منبع ۱۲۰ ولتی، و ۲۶۰ ولت rms برای یک منبع ۲۳۰ ولتی.
مقدار اضافه جریان بیشینه‌ای که یک وریستور عبور خواهد داد به پهنای پالس لحظه ای و تعداد تکرر پالس بستگی دارد. می‌توان فرضیاتی در مورد پهنای پالس لحظه ای داشت که معمولاً ۲۰ تا ۵۰ میکروثانیه (μs) طول دارند. اگر پیک محدوده مجاز جریان پالس ناکافی باشد، آنگاه وریستور ممکن است بیش از حد گرم شود و آسیب ببیند. بنابراین، برای اینکه یک وریستور بدون هیچگونه خطا یا تخریبی عمل کند، باید بتواند انرژی جذب شده از پاس لحظه‌ای را به سرعت هدر دهد و به طور ایمن به وضعیت قبل از پالس برگردد.
کاربردهای وریستور
وریستورها مزایای بسیاری دارند و می‌توانند در بسیاری از انواع مختلف کاربردها برای جلوگیری از ناپایداری های وارد به شبکه ناشی از وسایل خانگی و روشنایی‌ها تا تجهیزات صنعتی در هر دوی خطوط برق AC و DC استفاده شوند. وریستورها را می‌توان مستقیماً در دو سر منابع تغذیه شبکه و در دو سر سویچ های نیمه‌هادی برای محافظت از ترانزیستورها، MOSFET ها و پل‌های تریستور وصل کرد.
خلاصه‌ای در مورد وریستور
در این آموزش، دیدیم که کارکرد اصلی یک «مقاومت وابسته به ولتاژ» یا VDR محافظت از قطعه های الکترونیکی و مدارهای الکتریکی در برابر اضافه ولتاژها و اسپایک هاست، مانند مواردی که توسط سوئیچینگ القایی تولید می شوند.
از آنجا که این قبیل وریستورها در مدارهای الکترونیکی حساس استفاده می‌شوند تا اطمینان حاصل شود که اگر ولتاژ ناگهان از مقداری از پیش تعیین شده فراتر رفت، وریستور به طور مؤثر به یک اتصال کوتاه تبدیل شود تا از مدار محافظت کند که ولتاژ بیش از حد را پس می زند، آن‌ها می‌توانند جریان های پیک صدها آمپری را تحمل کنند.
وریستورها نوعی مقاومت با مشخصه‌ی جریان-ولتاژ غیر اهمی هستند و ابزارهایی قابل اطمینان و به صرفه برای محافظت در برابر اسپایک های ولتاژ بیش از حد و اضافه ولتاژها هستند.
وریستورها به عنوان یک قطعه مسدود کننده مقاومت بالا در ولتاژهای پایین‌تر و به عنوان یک قطعه رسانای مقاومت پایین در ولتاژهای بالا، عمل می کنند. اثربخشی یک وریستور در محافظت از مدارهای الکتریکی یا الکترونیکی به انتخاب مناسب وریستور با توجه به ولتاژ، جریان و اتلاف انرژی بستگی دارد.
وریستورهای اکسید فلزی، یا MOV ها، معمولاً از ماده اکسید روی فلزی دیسک شکل کوچک ساخته می شوند. آن‌ها در مقادیر زیادی برای بازه‌های ولتاژی مشخص در دسترس هستند. محدوده مجاز ولتاژ یک MOV، که «ولتاژ وریستور» خوانده می شود، ولتاژ دو سر آن وریستور در زمانی است که جریان ۱mA از درون قطعه عبور می کند. مقدار ولتاژ وریستور اساساً نقطه‌ای بر روی منحنی مشخصه I-V است، زمانی که قطعه شروع به رسانا شدن می کند. وریستورهای اکسید فلزی را می‌توان به صورت سری برای افزایش محدوده مجاز ولتاژ محدود کننده وصل کرد.
در حالیکه وریستورهای اکسید فلزی به طور گسترده در بسیاری از مدارهای الکترونیکی برق AC برای محافظت در برابر ولتاژهای بیش از حد لحظه‌ای استفاده می شوند، انواع دیگری نیز از قطعه های حالت جامد برای جلوگیری از ولتاژ وجود دارند، مانند دیودها و دیودهای زنر که همگی می‌توانند در برخی از کاربردهای جلوگیری از ولتاژ AC یا DC در کنار وریستورها استفاده شوند.
