وریستور چطور از مدار محافظت می کند؟ 

هنگام طراحی و ساخت مدارهای الکتریکی، بعضی از قطعات الکترونیکی نسبت به ولتاژ، حساسیت بالایی داراند که باید از آنها محافظت شود. این حفاظت از طریق قطعه ای به نام وریستور انجام می شود. در ادامه این مطلب قصد داریم شما را با وریستور، نماد آن، انواع و کاربرد آن و همین طور مشخصات کلی وریستور آشنا کنیم.

وریستور چیست

وریستور، یک مقاومت وابسته به ولتاژ (Voltage Dependent Resistor یا VDR) است. مقاومت وریستور، متغیر است و به ولتاژ اعمال شده بستگی دارد. این کلمه از بخش هایی از کلمات “مقاومت متغیر یا variable resistor” تشکیل شده است. مقاومت وریستورها با افزایش ولتاژ کاهش می یابد و در صورت افزایش بیش از حد ولتاژ، مقاومت آنها به شدت کاهش می یابد. این رفتار، وریستور را برای محافظت از مدارهای الکترونیکی در مقابل نوسانات ولتاژ ناپایدار یا زودگذر مناسب می کند. رایج ترین نوع VDR وریستور اکسید فلزی یا MOV است.

نماد وریستور

نماد یک مدار وریستور بسیار شبیه به یک ماژول سنسور دما  (ترمیستور) است که شامل نماد مقاومت است که یک خط مورب از آن عبور کرده است و یک بخش کوچک اضافه شده به موازات بدنه نماد مقاومت دارد که نشان دهنده ماهیت غیر خطی وریستور است. از نماد زیر برای نمایش varistor استفاده می شود و به عنوان یک مقاومت متغیر که به ولتاژ U وابسته است، نشان داده می شود.

بر خلاف فیوز یا قطع کننده مدار که از تجهیزات حفاظت از مدار هستند و در برابر جریان بیش از حد از مدار محافظت می کند، وریستور با استفاده از کلمپ ولتاژ به روشی مشابه دیود زنر، در برابر ولتاژ اضافی از مدار حفاظت می کند.

پکیج های مختلف وریستور

در اینجا چند نمونه از پکیج های مختلف varistor آورده شده است. پکیج های بلوکی برای رتبه‌بندی توان های بالاتر استفاده می‌شوند.

نحوه عملکرد وریستور به چه صورت است؟

یک وریستور از قانون اهم تبعیت نمی کند؛ بنابراین مانند یک مقاومت اهمی نیست. وریستور، اساساً یک مقاومت غیر اهمی است که از قانون اهم پیروی نمی کند؛ از این رو به آن مقاومت غیر خطی یا مقاومت وابسته به ولتاژ نیز می گویند.

تفاوت اساسی بین یک مقاومت معمولی و یک مقاومت وابسته به ولتاژ در این است که میزان یک مقاومت را می توان تنها به صورت دستی تغییر داد، اما ما می توانیم مقاومت را با تغییر ولتاژ تغییر دهیم. اصل کار وریستور، مشابه دیود اتصال PN در حین کار بایاس معکوس است.

برای درک عملکرد یک وریستور، ابتدا اجازه دهید با چگونگی ایجاد نوسانات ولتاژ در یک مدار/سیستم آشنا شویم. اکثر نوسانات به طور مداوم در حال تعویض هستند. وقتی یک مدار القایی را خاموش می کنیم، یک نوسان ولتاژ بالا به دلیل (L.di/dt.) ایجاد می شود که این موج به دلیل آزاد شدن ناگهانی انرژی ذخیره شده در اندوکتانس ایجاد می شود.

به عنوان یک قانون سرانگشتی، گفته می شود که روشن کردن نوسانات ولتاژ دو برابر جریان است و خاموش کردن نوسانات ولتاژ دو برابر ولتاژ است. چنین افزایشی می تواند تأثیر نامطلوبی بر تمام تجهیزات مجاور داشته باشد. وریستور، یک مقاومت بالا برای ولتاژهای پایین و یک مقاومت کم برای ولتاژهای بالا فراهم می کند. این تغییر در مقاومت با ولتاژ از منحنی مقاومت استاتیکی varistor که در زیر نشان داده شده است، مشهود است. این مشخصه غیر خطی است و از قانون اهم پیروی نمی کند.

در صورت بالا بودن ولتاژ، به دلیل کاهش مقاومت، جریانی از وریستور هجوم می‌یابد که ولتاژ را به محدوده‌های مجاز باز می‌گرداند. برای درک عملکرد آن، اجازه دهید تصویر زیر را ببینیم که در آن اتصال وریستور را نشان می دهد که همیشه موازی با مدار محافظت شده است. این کار برای ایجاد یک مسیر جایگزین برای جریان انجام می شود تا ولتاژ، کلمپ شود. خرید کلمپ متر دیجیتال میتواند به اندازه گیری دقیق کمک کند.

انواع وریستور

انواع مختلف وریستورها را می توان با توجه به مواد مورد استفاده برای بدنه آنها تعیین کرد. دو نوع متداول وریستورها عبارتند از وریستور سیلیکون کاربید و وریستور اکسید فلز (MOV).

وریستور سیلیکون کاربید

همانطور که از نام آن مشخص است، بدنه وریستور از سیلیکون کاربید (SIC) ساخته شده است. این نوع وریستور یکی از پرکاربردترین ها در دوره زمانی قبل از ورود MOV به بازار بوده است. با این حال، آنها به شدت در برنامه های کاربردی با قدرت و ولتاژ بالا استفاده می شوند. یکی از اشکالات این نوع وریستورها، جریان آماده به کار قابل توجهی است که آنها گرفتار می کنند، به همین دلیل است که یک فاصله سری برای محدود کردن مصرف برق در حالت آماده به کار لازم است.

وریستور اکسید فلزی (MOV)

وریستورهای اکسید فلزی نسبت به نوع سیلیکون کاربید یکسری مزایا دارند؛ زیرا حفاظت گذرای ولتاژ بسیار خوبی را ارائه می دهند. این وریستورها بسیار محبوب هستند و بدنه آنها از اکسید فلز (معمولا دانه های اکسید فلز روی) ساخته شده است. این ماده به صورت توده سرامیکی با 90 درصد دانه‌های اکسید روی و 10 درصد سایر اکسیدهای فلزی مانند بیسموت، کبالت و منگنز فشرده می‌شود؛ سپس بین دو صفحه فلزی قرار می گیرد. 10 درصد اکسیدهای فلزی بیسموت، کبالت و منگنز به عنوان یک عامل اتصال دهنده به دانه های اکسید روی عمل می کند به طوری که در بین دو صفحه فلزی دست نخورده باقی می ماند و پایانه های اتصال یا لیدها به دو صفحه فلزی متصل می شوند.

مشخصات فنی وریستور

مشخصات فنی وریستورها در زیر آمده است:

• مقاومت متغیر غیر خطی
• امپدانس بالا در شرایط بار اسمی
• امپدانس کم, وقتی از آستانه ولتاژ یا ولتاژ شکست فراتر می رود.
• حفاظت مدار در برابر ولتاژهای گذرا بیش از حد.
• در زمان وقوع ولتاژ بالا، واریستورها ولتاژ گذرا را هدایت می‌کنند و به سطح ایمن کلمپ می‌رسانند.
• انرژی موج ورودی تا حدی هدایت و جذب می شود.
• جریان کم در هنگام اعمال ولتاژ پایین
• نمی توانند با موج های پایدار مقابله کنند.
• اگر انرژی گذرا با ژول J اندازه‌گیری شود، از حداکثر مطلق امتیازها فراتر رفته، بنابراین دستگاه می‌تواند ذوب شود، بسوزد یا منفجر شود.
• برخی از پارامترهای انتخاب عبارتند از کلمپ، ولتاژ، جریان پیک، حداکثر انرژی پالس، ولتاژ نامی AC/DC و جریان آماده به کار.
• هنگام استفاده در خطوط ارتباطی باید ظرفیت خازنی سرگردان یا پارازیتی را در نظر گرفت.
• ظرفیت خازنی بالا به عنوان فیلتری برای سیگنال های فرکانس بالا عمل می کند یا باعث ایجاد تداخل می شود. این امر پهنای باند موجود خط ارتباطی را محدود می کند.
• وریستورها زمانی که در معرض نوسانات مکرر قرار می گیرند، تخریب می شوند و ولتاژ کلمپ آنها پس از هر نوسان کاهش می یابد.

نحوه خواندن مشخصات وریستور از روی کدهای آن

برای خواندن کدهای وریستور کافی است یک پروب متری را به لید وریستور آزاد و پروب دیگر را به لید متصل لمس کنید. حال مقدار مقاومت روی متر را بخوانید. اگر مقدار مقاومت تقریبا بی نهایت را نشان دهد، وریستور هنوز خوب و سالم است. اگر مقاومت بسیار کم را نشان دهد، وریستور از کار افتاده و خراب شده است.

طریقه تست وریستور به چه صورت است؟

آماده سازی قبل از اندازی گیری وریستور

برای اندازه گیری مقدار مقاومت واقعی، دو سیم تست (صرف نظر از مثبت و منفی) را به دو سر مقاومت وصل کنید. برای بهبود دقت اندازه گیری، محدوده با توجه به مقدار اسمی مقاومت اندازه گیری شده انتخاب می شود. به دلیل رابطه غیر خطی مقیاس اهم، بخش میانی ترازو مناسب است. بنابراین، مقدار اشاره گر باید تا آنجا که ممکن است در محدوده 20٪ تا 80٪ رادیان مقیاس کامل باشد. با توجه به سطح خطای مقاومت، خطای 5±٪، 10±٪ یا ± 20٪ به ترتیب بین قرائت و مقاومت اسمی مجاز است. اگر از محدوده خطا فراتر رود، مقاومت مقدار استاندارد را تغییر داده است.

چگونه می توان کیفیت وریستور را اندازه گیری کرد؟

قضاوت در مورد varistor معمولاً به منبع تغذیه با محدوده ولتاژ تنظیم کننده گسترده نیاز دارد و اثر محدود کننده جریان خوبی دارد. هنگام اندازه گیری، یک ولت متر با دقت خوب به طور موازی در سراسر وریستور متصل می شود. سیم برق قابل تنظیم را به دو سر وریستور وصل کنید.

ولت متر، ولتاژ منبع تغذیه را نشان می دهد. شما باید به آرامی ولتاژ را تنظیم کنید و مشاهده خواهید کرد که پس از رسیدن به یک ولتاژ مشخص، ولتاژ ناگهان کاهش می یابد. ولتاژ در آخرین لحظه قبل از کاهش، مقدار حفاظتی varistor است.

با ولتاژ پیوسته اعمال شده به وریستور، مقدار مقاومت آن می تواند از MΩ  (مگا اهم) به mΩ  (میلی اهم) تغییر کند. وقتی ولتاژ کم است، وریستور در ناحیه جریان نشتی کار می کند و مقاومت زیادی نشان می دهد و جریان نشتی کوچک است. هنگامی که ولتاژ به ناحیه غیر خطی افزایش می یابد، جریان در محدوده نسبتاً بزرگی تغییر می کند و ولتاژ تغییر چندانی نمی کند و مشخصه محدود کننده ولتاژ خوبی را نشان می دهد. هنگامی که ولتاژ مجدداً افزایش می یابد، وریستور وارد ناحیه اشباع شده و مقاومت خطی بسیار کمی از خود نشان می دهد. به دلیل جریان زیاد، وریستور بیش از حد گرم می شود و به مرور زمان می سوزد یا حتی ممکن است بترکد.

انتخاب وریستور

هنگام انتخاب وریستور باید شرایط خاص مدار در نظر گرفته شود و به طور کلی اصول زیر باید رعایت شود:

انتخاب ولتاژ وریستور V1mA

با توجه به انتخاب ولتاژ منبع تغذیه، ولتاژ منبع تغذیه اعمال شده به طور مداوم در وریستور نباید از مقدار “حداکثر ولتاژ کاری مداوم” تجاوز کند؛ یعنی حداکثر ولتاژ کاری DC وریستور باید بیشتر از VIN ولتاژ کاری DC خط برق (خط سیگنال) باشد، یعنی VDC ≥ VIN.

برای انتخاب منبع برق 220 ولت متناوب، محدوده نوسان ولتاژ کاری شبکه برق باید به طور کامل در نظر گرفته شود. دامنه نوسانات عمومی شبکه برق داخلی 25 درصد است. وریستور با ولتاژ 470 تا 620 ولت باید انتخاب شود. انتخاب یک وریستور با ولتاژ بالاتر می تواند میزان خرابی را کاهش داده و عمر مفید را افزایش دهد، اما ولتاژ باقیمانده کمی افزایش می یابد.

انتخاب ترافیک

جریان تخلیه نامی وریستور باید بیشتر از جریان موجی باشد که برای تحمل آن لازم است یا حداکثر جریان موجی که ممکن است در حین کار تجهیزات رخ دهد. جریان تخلیه نامی باید با فشار دادن مقدار بیش از 10 شوک در منحنی رتبه‌بندی زمان‌های افزایش طول عمر، که حدود 30 درصد حداکثر فلاکس ضربه (یعنی 0.3 IP) است، محاسبه شود.

انتخاب ولتاژ کلمپ

ولتاژ کلمپ وریستور باید کمتر از حداکثر ولتاژ (یعنی ولتاژ مطمئن) باشد که قطعه یا تجهیزات محافظت شده می تواند تحمل کند.

انتخاب خازن Cp

برای سیگنال های انتقال فرکانس بالا، ظرفیت Cp باید کوچکتر باشد و بالعکس.

تطبیق مقاومت داخلی (مطابقت مقاومت)

رابطه بین مقاومت داخلی R (R≥2Ω) جزء محافظت شده (خط) و مقاومت داخلی گذرا Rv وریستور: R≥5Rv. برای جزء محافظت شده با مقاومت داخلی کوچک، بدون تأثیر بر نرخ انتقال سیگنال، باید سعی کنید از یک وریستور خازن بزرگ استفاده کنید.

کاربردهای وریستورها

وریستور یکی از پرکاربرد ترین قطعات الکترونیکی است. مشخصه غیر خطی وریستور، برای استفاده به عنوان محافظ برق، آن را به ابزاری ایده آل تبدیل می کند. منابع گذرای ولتاژ بالا می تواند شامل صاعقه، تخلیه الکترواستاتیکی (ESD) یا تخلیه القایی از موتورها یا ترانسفورماتورها باشد. بنابراین، وریستورها اغلب در نوارهای برق محافظ برق استفاده می شوند. انواع ویژه ای از varistor ها با ظرفیت کم از خطوط ارتباطی محافظت می کند. این VDR ها کاربردهای زیادی دارند که از جمله مهم ترین آن ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• حفاظت از خطوط تلفن و سایر خطوط ارتباطی
• سرکوب گذرا تجهیزات ارتباط رادیویی
• حذف نوسانات اضافه برق ورودی مدار
• کنترل ولتاژ ناخواسته مدار
• حفاظت از منبع تغذیه
• حفاظت از میکروپروسسور یا ریزپردازنده
• حفاظت از تجهیزات الکترونیکی
• سرکوبگر ولتاژ گذرا (TVSS)
• حفاظت از لوازم الکترونیکی خودرو

می‌توانید به صورت مستقیم از طریق منابع اصلی و کلیدهای نیمه هادی از وریستور استفاده کنید و از ترانزیستورها، ماسفت ها و پل‌های تریستور محافظت کنید.

مزایا و معایب وریستورها

مزایای واریستورها عبارتند از:

• می توان از آن برای محافظت از قطعات الکتریکی یک مدار الکتریکی استفاده کرد.
• محافظ برق برای موتورهای AC و DC فراهم می کند.

معایب واریستورها عبارتند از:

• در طول اتصال کوتاه نمی تواند از جریان محافظت کند.
• در هنگام راه اندازی دستگاه نمی تواند در برابر نوسانات جریان محافظت کند.
• نمی تواند از کاهش ولتاژ محافظت کند.

دیدیم که واریستورها به عنوان شکلی از مقاومت در نظر گرفته می شوند که در آن مقاومت به واسطه ولتاژ اعمال شده به طور قابل توجهی تغییر می کند. آنها مقاومت وابسته به ولتاژ هستند و مقاومت آنها متغیر است و به ولتاژ اعمال شده بستگی دارد. همچنین به عنوان شکلی از یک مقاومت، اجزای نیمه هادی دو ترمینالی هستند که از دستگاه های الکترونیکی در برابر ولتاژهای گذرا محافظت می کنند. تمام این موارد علاوه بر تعریف وریستور، کاربردها، نماد، مشخصات، انواع و عملکرد آن را در این مطلب مورد بحث قرار دادیم. برای خرید واریستور و سایر قطعات الکترونیکی میتوانید از فروشگاه دیجی قطعه به تعداد دلخواه سفارش دهید.