وریستور — راهنمای کاربردی — از صفر تا صد

وریستور (Varistor) یک المان نیمه‌رسانای حالت جامد پسیو (Passive) است که دو ترمینال دارد و برای محافظت از مدارات الکتریکی و الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این مطلب قصد داریم تا به بررسی این قطعه بپردازیم و نحوه کار آن را توضیح دهیم.

برخلاف فیوزها (Fuse) و مدارشکن‌ها (Circuit Breaker) که محافظت از مدار در برابر جریان‌های بالا را انجام می‌دهند، وریستورها مانند دیودهای زنر (Zener Diode) محافظت از مدار در برابر ولتاژهای بالا از طریق کلمپ ولتاژ (Voltage-Clamping) را بر عهده دارند.

واژه وریستور ترکیبی از دو کلمه قابل تغییر (VARI-able) و مقاومت (resi-STOR) است که برای توصیف مد کاری آن‌ها به کار می‌رود و از اوایل اختراع انتخاب شده است. اما این واژه اندکی گمراه‌کننده است، زیرا مقاومت یک وریستور را نمی‌توان مانند پتانسیومتر (Potentiometer) یا رئوستا (Rheostat) به صورت دستی تغییر داد.

فیلم آموزش پروفی کد – طراحی مدارات الکتریکی و الکترونیکی با ProfiCAD در فرادرس

کلیک کنید

برخلاف یک مقاومت متغیر که مقدار مقاومت آن به صورت دستی بین مقدار بیشینه و کمینه آن تغییر می‌کند، وریستور مقاومت خود را به صورت اتوماتیک متناسب با تغییر ولتاژ عبوری تغییر می‌دهد. بنابراین، یک مقاومت وابسته به ولتاژ غیرخطی یا به اختصار VDR نامیده می‌شود.

امروزه وریستورها از مواد نیمه‌رسانا ساخته می‌شوند، در نتیجه نوعی از مقاومت‌های نیمه‌رسانا با مشخصه جریان-ولتاژ متقارن غیراهمی (Non-ohmic Symmetrical Voltage and Current Characteristics) هستند که هم برای کاربرد در ولتاژهای AC و هم ولتاژهای DC مناسب خواهند بود.

وریستورها از بسیاری جنبه‌ها و حتی اندازه و شکل بسیار شبیه به خازن هستند و گاهی آن‌ها را به اشتباه مانند یکدیگر می‌پندارند. اما خازن نمی‌تواند یک جهش ولتاژ را آن‌گونه که وریستور قادر به انجام آن است، سرکوب کند. زمانی که یک ولتاژ بالا به مدار اعمال شود، خروجی همیشه باعث ایجاد بحران در مدار می‌شود. بنابراین وریستورها نقش حیاتی در محافظت از ادوات حساس مدارات الکترونیکی در برابر ولتاژهای بالای گذرا و ضربه‌های پالسی حاصل از کلیدزنی ایفا می‌کنند.

فراتاخت‌های گذرا (Transient Surge)، صرف‌نظر از اینکه با منبع AC یا DC کار می‌کنند، از مدارات الکتریکی و منابع متنوعی ناشی می‌شوند، زیرا معمولا یا توسط خود مدار ایجاد شده و یا از منابع خارجی وارد مدار می‌شوند. حالت‌های گذرا در یک مدار می‌توانند به صورت ناگهانی و بسیار سریع ولتاژ مدار را تا چند هزار ولت بالا ببرند که باید از ورود این جهش ولتاژ به پایه‌های المان‌ها و اجزای حساس مدار جلوگیری به عمل آید.

یکی از متداول‌ترین منابع ایجاد جهش ولتاژ، اثر سلفی است که توسط کلیدزنی سیم پیچ‌های القایی و جریان‌های مغناطیس‌کننده ترانسفورماتور، کلیدزنی موتورهای DC و روشن کردن مدارات لامپ‌های فلوئورسنت یا سایر منابع فراتاخت به وجود می‌آید.

جهش‌های شکل موج AC

شکل زیر نمایی از جهش در شکل موج AC را نشان می‌دهد. وریستورها در طول منبع اصلی و به صورت فاز به خنثی (Phase-to-Neutral) یا فاز به فاز (Phase-to-Phase) برای کاربردهای AC یا مثبت به منفی (Positive-to-Negative) برای کاربردهای DC، به مدار متصل می‌شوند و دارای یک ولتاژ نامی متناسب با کاربردشان هستند. این المان‌ها همچنین می‌توانند برای پایدارسازی ولتاژهای DC و مخصوصا محافظت از مدارات الکترونیکی در برابر پالس‌های ولتاژ بالا مورد استفاده قرار گیرند.

مقاومت استاتیک وریستور

در شرایط کار عادی، وریستور مقاومت بسیار بالایی از خود نشان می‌دهد. در این حالت، وریستور مشابه با دیود زنر عمل می‌کند و به ولتاژهای پایین‌تر از حد آستانه یا کلمپ اجازه می‌دهد تا بدون تغییر باقی بمانند. اما اگر ولتاژ دو سر وریستور از مقدار نامی آن بالاتر رود، مقاومت موثر وریستور با افزایش ولتاژ به شدت کاهش می‌یابد. از قانون اهم می‌دانیم که مشخصه جریان-ولتاژ یک مقاومت، به شرط اینکه R ثابت باشد، یک خط مستقیم است و جریان الکتریکی با اختلاف پتانسیل پایه‌های مقاومت نسبت مستقیم دارد. اما منحنی جریان-ولتاژ یک وریستور، خطی راست نیست که یک تغییر در ولتاژ منجر به تغییری مشخص و خطی در جریان شود. منحنی مقاومت استاتیک یک وریستور در شکل زیر نشان داده شده است.

منحنی مشخصه وریستور

منحنی مشخصه ولتاژ بر حسب جریان معمولی نرمال شده مربوط به یک وریستور استاندارد در شکل زیر داده شده است.

از نمودار شکل بالا هم می‌توان دید که وریستور دارای منحنی مشخصه دو جهته و متقارن است. به همین دلیل وریستور می‌تواند در هر دو جهت (ربع اول و سوم) از یک شکل موج سینوسی، مشابه با دو دیود زنر که پشت به پشت به یکدیگر متصل شده‌اند، عمل کند. زمانی که وریستور در مد هدایت نیست، منحنی ولتاژ-جریان یک ارتباط خطی را نشان می‌دهد. به همین دلیل جریانی که در وریستور به گردش در می‌آید، ثابت و بسیار پایین، در حد چند میکرو آمپر (جریان نشت)، باقی می‌ماند. این حالت به دلیل مقاومت بالای وریستور است که مانند مدار باز عمل می‌کند و تا زمانی که ولتاژ دو سر وریستور به مقدار ولتاژ نامی نرسد، ثابت باقی می‌ماند.

ولتاژ نامی، ولتاژی روی وریستور است که در جریان ۱mA DC اندازه‌گیری می‌شود. این ولتاژ، سطح ولتاژ DC است که به پایه‌های وریستور اعمال می‌شود تا جریانی به اندازه ۱mA اجازه عبور دهد و به جنس موادی بستگی دارد که در ساخت وریستور مورد استفاده قرار گرفته است. در این سطح ولتاژ، وریستور شروع به تغییر از حالت ایزوله به حالت هدایت می‌کند. زمانی که ولتاژ گذار در طول وریستور برابر یا بزرگ‌تر از ولتاژ نامی باشد، مقاومت المان وریستور به صورت ناگهانی بسیار کوچک شده و به دلیل اثر بهمنی مواد نیمه‌رسانا، به یک رسانا تبدیل می‌شود. جریان نشتی کوچک جاری در وریستور به سرعت افزایش می‌یابد، اما ولتاژ دو سر آن به سطح ولتاژ نامی وریستور محدود شده است.

به عبارت دیگر، وریستور ولتاژ گذرای دو سر خود را از طریق عبور جریان بیشتر از خود، تنظیم خواهد کرد و به دلیل شیب تند منحنی مشخصه غیرخطی ولتاژ-جریان، وریستور قادر است که گستره وسیعی از جریان را در طول بازه باریکی از ولتا‌ژ از خود عبور دهد و تمام جهش‌های ولتاژ را قطع کند.

مقدار خازنی وریستور

از آنجایی که ناحیه اصلی هدایت یک وریستور بین دو ترمینال آن مانند یک دی‌الکتریک عمل می‌کند، برای ولتاژهای زیر ولتاژ کلمپ، وریستور بیشتر مانند یک خازن عمل خواهد کرد تا یک مقاومت. تمام وریستورهای نیمه‌رسانا یک مقدار خازنی دارند که با مساحت آن رابطه مستقیم و با ضخامت وریستور رابطه عکس دارند.

فیلم آموزش پروژه محور میکروکنترلر ای وی آر AVR – ساخت خازن سنج در فرادرس

کلیک کنید

زمانی که یک وریستور در یک مدار DC به کار رود، ظرفیت خازنی وریستور مشروط بر اینکه ولتاژ اعمالی به مقدار بالاتر از سطح ولتاژ کلمپ افزایش نیابد، تقریبا ثابت باقی خواهد ماند و در حوالی بیشینه ولتاژ DC نامی به سرعت افت خواهد کرد.

اما در مدارات AC، این ظرفیت خازنی می‌تواند مقاومت المان را در ناحیه عدم هدایت مشخصه جریان-ولتاژ تحت تاثیر قرار دهد. چون برای محافظت از مدار در برابر جهش ولتاژ، وریستور معمولا به صورت موازی با مدار بسته می‌شود، مقاومت نشتی وریستور سریعا با افزایش فرکانس، افت خواهد کرد.

رابطه بین مقاومت حاصله با فرکانس معمولا خطی است و راکتانس AC یا همان X_C با استفاده از رابطه $$\frac{1}{2\pi f C}$$ مانند خازن‌های معمولی محاسبه می‌شود. بنابراین با افزایش فرکانس، جریان نشتی وجود خواهد داشت.

وریستورهای اکسید فلز

وریستورهای اکسید فلز (Metal Oxide Varistor) یا MOV برای غلبه بر برخی محدودیت‌های مربوط به وریستورهای مبتنی بر نیمه‌رسانای سیلیکون توسعه یافته‌اند. MOV یک مقاومت وابسته به ولتاژ است که از اکسید فلزات مانند زینک اکسید ساخته شده و بر روی مواد سرامیکی پرس شده است. وریستورهای اکسید فلز از حدودا 90٪ زینک اکسید به عنوان ماده سرامیکی به علاوه سایر مواد برای تشکیل پیوند بین ذرات زینک اکساید تشکیل شده‌اند.

وریستورهای اکسید فلز در حال حاضر جزو متداول‌ترین تجهیزات کلمپ ولتاژ محسوب می‌شوند و برای استفاده در بازه وسیعی از جریان‌ها و ولتاژها موجود هستند. استفاده از اکسید فلزات در ساختار MOVها به شدت در جذب ولتاژهای گذرای کوتاه مدت موثر است و باعث می‌شود توانایی بالاتری برای کنترل توان داشته باشند.

مانند وریستورهای معمولی، وریستورهای اکسید فلز در ولتاژ معینی شروع به هدایت می‌کنند و زمانی که ولتاژ به زیر حد آستانه برسد، هدایت را متوقف می‌کنند. تفاوت اصلی بین یک وریستور معمولی سیلیکونی و اکسید فلز در این است که جریان نشتی در وریستورهای اکسید فلز در شرایط کار عادی بسیار پایین است و سرعت عملکرد آن در گذار کلمپ بسیار سریع‌تر است.

وریستورهای MOV شکلی دایره‌ای دارند و با آپوکسی آبی یا مشکی پوشانده شده‌اند. این المان‌ها بسیار شبیه به خازن‌های سرامیکی هستند و می‌توانند به صورت فیزیکی بر روی برد یا PCB نصب شوند.

در شکل زیر ساختار وریستور اکسید فلز نشان داده شده است.

برای انتخاب MOV مناسب برای یک کاربرد خاص، داشتن دانش نسبی از امپدانس منبع و نیز توان احتمالی پالس‌های گذار لازم است. برای گذارهای ورودی فاز یا خط، انتخاب MOV مناسب سخت‌تر است، زیرا معمولا مشخصه‌های منبع تغذیه ناشناخته هستند. در حالت کلی، انتخاب یک MOV مناسب برای محافظت از مدار در برابر حالات گذار و جهش‌های منبع تغذیه، امری دشوارتر از یک حدس تجربی است. زیرا وریستورهای اکسید فلز در گستره وسیع‌تر از وریستورهای معمولی، از 10 ولت تا 1000 ولت AC یا DC وجود دارند. بنابراین دانستن ولتاژهای تغذیه به انتخاب کمک می‌کند. به عنوان مثال، برای انتخاب یک MOV یا وریستور سیلیکونی برای ولتاژ، باید ماکزیمم ولتاژ rms نامی، بالاتر از ولتاژ تغذیه مورد انتظار باشد. مثلا مقدار 130 ولت rms ولتاژ نامی برای ۱۲۰ ولت تغذیه و یا ۲۶۰ ولت rms برای ۲۳۰ ولت تغذیه.

مقدار بیشینه جریان جهشی که یک وریستور تحمل می‌کند، به عرض پالس گذار و تعداد تکرارهای پالس بستگی دارد و می‌توان بر اساس عرض پالس گذرا که معمولا 20 تا 50 میکروثانیه است، مقدار آن را می‌توان تخمین زد. اگر جریان نامی پالس جهشی کافی نباشد، وریستور ممکن است بیش از حد گرم شود و آسیب ببیند. بنابراین برای اینکه یک وریستور به خوبی و بدون هیچ‌گونه خطا و آسیبی عمل کند، باید قادر باشد که به سرعت انرژی جذب شده از پالس گذرا را از بین ببرد و به شرایط قبل از دریافت پالس برگردد.

کاربردهای وریستور

وریستورها دارای مزیت‌های بسیاری هستند و کاربردهای متنوعی در سرکوب پالس‌های گذار در شبکه برق در کاربردهای خانگی و روشنایی و نیز تجهیزات صنعتی در خطوط انرژی AC و DC دارند. وریستورها می‌توانند مستقیما و یا از طریق کلیدهای نیمه‌رسانا به منابع تغذیه متصل شوند و از ترانزیستورها، ماسفت‌ها و پل‌های تریستوری محافظت کنند.

فیلم آموزش تکنیک پالس – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

شکل زیر نمایی از نحوه کاربرد وریستور در مدارات مختلف را نشان می‌دهد.

اگر نوشته بالا برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌‌های مهندسی الکترونیک
• آموزش تکنیک پالس
• مجموعه آموزش‌های مهندسی برق
• آموزش الکترونیک ۳
• فلیپ فلاپ JK — از صفر تا صد
• آینه جریان ویلسون (Wilson) — از صفر تا صد
• مولتی متر و روش استفاده از آن — به زبان ساده

^^