وریستور چیست?

وریستور یک قطعه ی نیمه هادی پسیو و دارای دو ترمینال است که جهت تامین حفاظت در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی استفاده می شود.

برخلاف فیوزها و کلیدهای قطع مدار که هنگام افزایش جریان از مدار محافظت می کنند، وریستور هنگام اضافه ولتاژ با قفل کردن ولتاژ در یک سطح معین مانند آن چه در دیود زنر رخ می دهد، از مدار محافظت می کند.

واژه ی “وریستور” یک کلمه ی مخفف است که از ترکیب دو کلمه ی متغیر(variable) و مقاومت (resistor) تشکیل شده است و به معنای مقاومت متغیر می باشد که بیان کننده ی مد عملکرد آن است و در روزهای اولیه ی توسعه ی این قطعه بر آن نهاده شد. البته این نحوه ی نام گذاری کمی گمراه کننده است زیرا مقدار مقاومت این قطعه مانند پتانسیومتر و رئوستا به صورت دستی قابل تغییر نیست.

بر خلاف سایر مقاومت های متغیر که مقدار آن ها به صورت دستی از کمترین مقدار تا بیشترین مقدار قابل تغییر است، در وریستورها مقدار مقاومت به صورت خودکار با تغییر ولتاژ دو سر قطعه تغییر می کند که آن را یک مقاومت متغیر با ولتاژ (VDR) می کند که خطی نیست.

یک نمونه وریستور

امروزه بدنه ی مقاومتی وریستورها از مواد نیمه هادی ساخته شده است که این قطعات را به مقاومت های نیمه هادی غیر اهمی با مشخصات ولتاژ و جریان متقارن تبدیل نموده است که برای استفاده در ولتاژهای DC و AC مناسب هستند.

در بسیاری از موارد مانند سایز و طراحی، وریستورها مشابه خازن ها هستند، که این مسئله در ابتدا گیج کننده به نظر می رسد. ولی یک خازن نمی تواند ماندد یک وریستور، ریپل ها و یا موج های موجود در ولتاژ را محدود کرده و از بین ببرد. هنگامی که یک موج با ولتاژ بالا در مدار اعمال شود، نتیجه می تواند برای مدار بسیار مصیبت بار باشد. بنابراین وریستور نقش بسیار مهمی در حفاظت از مدارهای ظریف الکترونیکی در مقابل ضربه ها و اضافه ولتاژهای گذرا دارد.

امواج ولتاژ گذرا، از تغییر در مدارات الکتریکی و یا تغییر در منابع تغذیه، فارغ از این که AC باشند یا DC سرچشمه می گیرند. آن ها گاهی مواقع در داخل خود مدار تولید می شوند و گاهی از منابع خارجی به مدار منتقل می شوند. حالت های گذرا در مدار به سرعت افزایش یافته و می تواند ولتاژ را تا حد چندین هزار ولت افزایش دهند. باید از اعمال این ضربه های ناگهانی ولتاژ به مدارها و اجزای ظریف الکترونیکی جلوگیری شود.

یکی از منابع متداول ولتاژهای گذرا تاثیر القایی یا (L(di/dt می باشد که می تواند به وسیله ی سوئیچینگ سیم پیچ های القایی و جریان های مغناطیس کننده ی ترانسفورماتورها، سوئیچینگ موتورهای DC و یا امواج ناشی از سوئیچینگ مدار لامپ های فلورسنت و … ایجاد شود.

حالت های گذرا در شکل موج های AC

وریستورها می توانند در مدارهای AC با تغذیه ی فاز به نول و یا فاز به فاز استفاده شوند و همچنین در مدارهای DC با تغذیه ی مثبت به منفی، و جهت کاربردهای مختلف دارای دسته بندی های مختلف ولتاژی هستند. وریستورها همچنین جهت پایدار سازی ولتاژهای DC و مخصوصا محافظت مدارهای الکترونیکی در مقابل پالس های اضافه ولتاژ، مورد استفاده قرار می گیرند.

مقاومت استاتیکی وریستور

در شرایط عملکرد عادی وریستور مقاومت بسیار بالایی دارد. بدون در نظر گرفتن نامی که دارد، در شرایط عملکردی مشابه با دیود زنر و با به کار بردن ولتاژ آستانه ی سطح پائین تا حد کمی جریان را عبور می دهد.

ولی هنگامی که ولتاژ دو سر آن در محدوده ی نامی وریستور افزایش می یابد (با هر پلاریته) مقاومت موثر آن همان طور که در شکل مشاهده می شود، به شدت با افزایش ولتاژ کاهش می یابد.

از قانون اهم می دانیم که مشخصات جریان-ولتاژ (I-V) در یک مقاومت ثابت به صورت یک خط با شیب ثابت است که بیانگر این مطلب است که مقدار مقاومت (R) ثابت می باشد. پس جریان به طور مستقیم با اختلاف پتانسیل دو سر مقاومت متناسب است.

ولی منحنی I-V در وریستور خط با شیب ثابت نیست، زیرا تغییر کوچکی در ولتاژ باعث ایجاد تغییرات قابل توجه در جریان می شود.

یک منحنی مشخصه ی نرمالیزه شده ی جریان بر حسب ولتاژ برای یک وریستور استاندارد در شکل زیر داده شده است.

منحنی مشخصه ی وریستور

از شکل بالا می توان دید، وریستور دارای مشخصات دوجهته ی متقارن است که باعث می شود وریستور در هر دو جهت شکل موج سینوسی (ربع اول و سوم در شکل) مانند دو دیود زنر که به صورت پشت به پشت (back to back) به یکدیگر اتصال یافته اند، رفتار می کند. هنگامی که هدایت جریان نداریم، منحنی I-V رفتار خطی دارد به طوری که جریانی که از وریستور عبور می کند ثابت باقی مانده و در حد چند میکرو آمپر و به صورت جریان نشتی است. این مطابق با مقاومت بسیار بالای آن است که حالت مدار باز را ایجاد می کند و مقاومت ثابت باقی می ماند تا زمانی که ولتاژ دو سر وریستور به مقدار خاص “ولتاژ نامی” برسد.

این ولتاژ قفل کننده یا نامی، ولتاژ دو سر وریستور است که با جریان DC مشخصه ی 1 میلی آمپر اندازه گیری می شود. در واقع ولتاژ اعمال شده در ترمینال های وریستور است که اجازه ی عبور جریان 1 میلی آمپری را از بدنه ی مقاومتی آن می دهد که خودش به مواد به کار رفته در ساختمان وریستور بستگی دارد. در این سطح ولتاژ وریستور شروع به تغییر وضعیت از حالت عایقی به حالت رسانشی می کند.

هنگامی که ولتاژ حالت گذرای دو سر وریستور بزرگتر یا مساوی با مقدار ولتاژ نامی باشد، مقاومت قطعه به شدت کاهش می یابد که طبق اثر بهمنی در مواد نیمه هادی تبدیل به یک ماده ی رسانا می شود. جریان نشتی کوچکی که در وریستور جاری است به سرعت افزایش یافته ولی ولتاژ دو سر آن محدود به ولتاژی بیش از ولتاژ وریستور می شود. به عبارت دیگر، وریستور ولتاژهای گذرای ایجاد شده را با عبور دادن جریان بیشتر از خود به صورت خودکار تنظیم می کند. به دلیل شیب تند در منحنی غیر خطی I-V در این قطعه، محدوده ی وسیعی از جریان های متغیر در رنج ولتاژ باریکی عبور داده می شود که هر گونه ولتاژ ناگهانی را قطع می کند.

ظرفیت خازنی وریستور

از آنجایی که منطفه ی رسانشی وریستور بین دو ترمینال آن رفتاری مانند دی الکتریک دارد، در ولتاژهایی که زیر ولتاژ قفل کننده (clamping voltage) باشد، وریستور بیشتر شبیه به خازن رفتار میکند تا مقاومت. هر وریستور نیمه هادی دارای یک ظرفیت خازنی است که مستقیما به محدوده ی آن بستگی دارد و همچنین با ضخامت آن نسبت عکس دارد.

هنگام استفاده در مدارهای DC ظرفیت خازنی کم و بیش ثابت باقی می ماند به شرط این که ولتاژ اعمال شده از سطح ولتاژ قفل کننده بیشتر نشود و در مقادیرDC نزدیک به ماکزیمم ولتاژ نامی به سرعت متوقف شود.

ولی در مدارهای AC، این ظرفیت خازنی در ناحیه ی نشتی غیرهادی از منحنی مشخصه ی I-V ، می تواند بر بدنه ی مقاومتی آن تاثیر بگذارد. وقتی در حالت عادی در یک وسیله ی الکتریکی که می خواهیم در مقابل اضافه ولتاژ از آن حفاظت کنیم دو وریستور را به صورت موازی به یکدیگر وصل می کنیم، مقاومت نشتی وریستور با افزایش فرکانس به سرعت افت می کند.

این رفتار نسبت به فرکانس تقریبا خطی است و بخش موهومی مقاومت موازی AC حاصل شده ی یعنی Xc به وسیله ی فرمول زیر مانند یک خازن عادی محاسبه می شود:

Xc=1/2piƒC

مانند وریستورهایی که از نیمه هادی سیلیکون ساخته شده اند، وریستورهایی بر مبنای اکسید فلز (Metal oxid) ساخته شده اند که محدودیت های مربوط به وریستورهای کاربید سیلیکون را ندارند.

وریستورهای اکسید فلز

وریستور اکسید فلز یا MOV ، یک مقاومت متغیر با ولتاژ است که در آن ماده ی مقاومتی اکسید فلز است. در درجه ی اول اکسید روی فشرده می شود تا به ماده ای مشابه سرامیک تبدیل شود. وریستورهای اکسید فلز تقریبا 90 درصد از اکسید روی به عنوان ماده ی پایه ی سرامیکی تشکیل شده است، به اضافه ی مواد پر کننده ی دیگری که جهت فرم دهی در فضای بین دانه های اکسید روی قرار می گیرند.

وریستورهای اکسید فلز یکی از پرکاربردترین انواع قطعات قفل کننده ی ولتاژ هستند که در رنج های وسیعی از ولتاژ و جریان موجود هستند. استفاده از اکسید فلز در ساختار آن ها به این معنی است که MOV ها در جذب حالت های گذاری ولتاژ به شدت موثر هستند و قابلیت راه اندازی با انرژی های بالاتر را دارند.

مانند وریستورهای عادی، وریستورهای متال اکسید نیز هدایت را از یک ولتاژ خاص شروع می کنند و هنگامی که ولتاژ به زیر مقدار آستانه افت کند، هدایتشان متوقف می شود. تفاوت اصلی بین وریستورهای کاربید سیلیکون استاندارد (SiC) و وریستورهای نوع MOV این است که جریان نشتی در مواد اکسید فلز MOV در شرایط عادی بسیار کمتر است و سرعت عملکرد آن هنگام قفل کردن حالت های گذرا بسیار بیشتر است.

MOV ها عموما دارای پایه های شعاعی هستند و دارای پوشش سخت خارجی آبی یا مشکی رنگ هستند که بسیار به خازن های سرامیکی گرد شباهت دارند و به صورت فیزیکی روی بوردهای مدار نصب می شوند و در مورد بوردهای PCB نیز به همین ترتیب خواهد بود. ساختمان یک وریستور اکسید فلز به صورت زیر است:

ساختمان وریستور اکسید فلز

جهت انتخاب MOV مناسب در کاربردهای خاص، بهتر این است که اطلاعاتی راجع به مقاومت منبع و توان پالس های گذرای ممکن داشته باشیم. در مورد حالت های گذرایی که از فاز یا خط ورودی به مدار وارد می شوند، انتخاب MOV مناسب کمی مشکل تر است، زیرا عموما ویژگی های منابع تغذیه ناشناخته هستند. به طور کلی انتخاب MOV جهت حفاظت الکتریکی مدارها در مقابل حالت های گذرا و ولتاژهای ناگهانی منابع تغذیه کمی مشکل تر از حدس های عادی است که بر اساس آموخته هایمان در موارد عادی می زنیم.

در هر حال وریستورهای اکسید فلز در رنج وسیعی از ولتاژ از حدود 10 ولت تا ولتاژهای بیش از 1000 ولت AC یا DC موجود هستند، بنابراین دانستن ولتاژ تغذیه به انتخاب می تواند کمک کند. به عنوان مثال انتخاب ولتاژ در مورد یک وریستور سیلیکون یا MOV باید به نحوی باشد که حداکثر ولتاژ موثر پیوسته ی (rms) آن از بیشترین ولتاژ مورد انتظار در منبع تغذیه بیشتر باشد. مثلا 130 ولت موثر برای تغذیه ی 120 ولتی و 260 ولت موثر برای تغذیه ی 230 ولتی انتخاب می شود.

حداکثر مقدار جریان ناگهانی که در وریستور ایجاد می شود به عرض پالس گذرا و تعداد تکرارهای آن بستگی دارد. فرضیات می تواند بر مبنای عرض پالس گذرا باشد که به طور معمول در حدود 20 تا 50 میکرو ثانیه است. اگر حداکثر جریان پالس نامناسب باشد، امکان گرم شدن بیش از حد وریستور و خرابی آن وجود دارد. لذا شرط این که یک وریستور بدون هیچ مشکل و خرابی کار کند این است که بتواند به سرعت انرژی پالس های گذرا را سرکوب نموده و به شرایط عادی قبل از اعمال پالس گذرا برگردد.

کاربردهای وریستور

وریستورها مزیت های بسیاری دارند و در انواع مختلفی از کاربردها می توانند مورد استفاده قرار گیرند، برای خنثی کردن حات های گذرای تحمیل شده بر مدار از دستگاه های خانگی و روشنایی تا تجهیزات صنعتی در هر دو نوع خطوط نیروی AC و DC مورد استفاده قرار می گیرند. وریستورها مستقیما به طور موازی با منابع تغذیه ی اصلی و سوئیچ های نیمه هادی جهت حفاظت ترانزیستورها، MOSFET ها و پل های تریستور قرار می گیرند.

خلاصه و جمع بندی

در این مقاله مشاهده شد که وظیفه ی اصلی مقاومت متغیر با ولتاژ یا VDR این است که مدارهای الکتریکی و الکترونیکی را در مقابل تغییرات ناگهانی و ناخواسته ی ولتاژ ( مشابه با آن چه در سوئیچینگ المان های القایی رخ می دهد) حفاظت کند.

وریستورها در مدارهای حساس الکترونیکی مورد استفاده قرار میگیرند تا در صورتی که اضافه ولتاژی به طور ناگهانی و مخرب روی داد، وریستورها به سرعت جهت حفاظت از مداری که این اضافه ولتاژ دو سر آن قرار می گیرد، اتصال کوتاه می شوند؛ زیرا این قطعات قادر هستند جریان هایی در حدود چندهزار آمپر را تحمل کنند.

وریستورها مقاومت هایی هستند که دارای منحنی مشخصه ی V-I غیر اهمی و غیرخطی هستند و قطعاتی قابل اطمینان و از نظر اقتصادی به صرفه جهت حفاظت مدار در مقابل اضافه ولتاژهای گذرا هستند.

عملکرد حفاظتی آن ها به این صورت است که در ولتاژهای پائین به صورت یک مقاومت بزرگ بلوک کننده ی جریان عمل می کنند و در ولتاژهای بالاتر مانند یک قطعه ی هادی با مقاومت پائین رفتار می کنند. تاثیر یک وریستور در حفاظت از یک مدار الکتریکی یا الکترونیکی بستگی به انتخاب مناسب وریستور متناسب با ولتاژ، جریان و انرژی اتلافی دارد.

وریستورهای اکسید فلز یا MOV ها از یک قطعه ی دایره ای شکل که معمولا از جنس اکسید روی می باشد، ساخته می شوند. آن ها در مقادیر مختلف از رنج ها ولتاژی خاص موجود هستند. سطح ولتاژی یک MOV که “ولتاژ وریستور” نامیده می شود، در واقع مقدار ولتاژ دو سر قطعه است هنگامی که جریان 1 میلی آمپر از آن عبور میکند.

این سطح ولتاژ در وریستور نقطه ای روی منحنی مشخصه ی آن است که در آن نقطه وریستور شروع به هدایت جریان می کند. وریستورهای اکسید فلز به منظور افزایش سطح ولتاژ قفل کننده می توانند به صورت سری به یکدیگر متصل شوند.

در حالی که وریستورها به طور وسیعی در مدارهای الکترونیک قدرت جهت حفاظت در مقابل اضافه ولتاژهای گذرا استفاده می شوند، قطعات محدود کننده ی ولتاژ دیگری از قبیل دیودها، دیودهای زنر و سایر محدود کننده های ولتاژ نیز وجود دارند که همگی می توانند در کاربردهای محدود کردن ولتاژهای AC و DC به طور همزمان با وریستورها به کار روند.