وریستور

وریستور یک دستگاه نیمه هادی حالت جامد دو ترمینال منفعل است که برای‌محافظت از مدارهای الکتریکی و الکترونیکی استفاده می‌شود.

برخلاف فیوز یا قطع کننده مدار که از جریان بیش از حد محافظت می کند ، وریستور با استفاده از بستن ولتاژ به روش مشابه دیود زنر ، از ولتاژ اضافی محافظت می کند.

کلمه “وریستور” ترکیبی از کلمات VARI-قادر resi-STOR است که برای توصیف نحوه عملکرد آنها در روزهای اولیه توسعه استفاده می شود که کمی گمراه کننده است زیرا واریستور نمی تواند به صورت دستی مانند پتانسیومتر یا رئوستات تغییر کند. .

اما برخلاف مقاومت متغیر که مقدار مقاومت آن می تواند به صورت دستی بین مقادیر حداقل و حداکثر آن متغیر باشد ، وریستور با تغییر ولتاژ روی آن مقاومت مقاومت خود را به طور خودکار تغییر می دهد و آن را به یک مقاومت غیر خطی وابسته به ولتاژ یا به طور خلاصه VDR تبدیل می کند.

امروزه بدنه مقاومتی واریستور از مواد نیمه رسانا ساخته شده است و آنرا نوعی مقاومت نیمه رسانا با ولتاژ متقارن غیر اهمی و ویژگیهای جریان مناسب برای کاربردهای ولتاژ AC و DC می باشد.

شباهت وریستور به خازن

از بسیاری‌جهات وریستور از‌نظر اندازه و طرح شبیه به یک خازن است و اغلب به‌عنوان یک واحد اشتباه گرفته می‌شود.

با این حال ، یک خازن نمی تواند ولتاژ را به همان روشی که واریستور می تواند سرکوب کند.

هنگامی که یک ولتاژ بالا به مدار اعمال می شود ، نتیجه معمولاً برای مدار فاجعه بار است.

بنابراین واریستور نقش مهمی در محافظت از مدارهای الکترونیکی ظریف از سنبله سوئیچینگ و گذر ولتاژ دارد.

موج‌های موقت از انواع مدارهای‌الکتریکی و منابع منشأ می‌گیرند بدون توجه به اینکه از منبع تغذیه یا DC کار می‌کنند.

زیرا غالباً در داخل مدار تولید می شوند یا از منابع خارجی به مدار منتقل می شوند.

گذرا در داخل مدار می تواند به سرعت افزایش یابد و ولتاژ را به چند هزار ولت افزایش دهد‌، و این اسپایک های ولتاژ است که باید از ظهور در مدارها و اجزای الکترونیکی ظریف جلوگیری شود.

یکی از متداول ترین منابع گذرا ولتاژ ، تأثیر L (di / dt) ناشی از سوئیچینگ سیم پیچهای القایی و جریانهای مغناطیسی ترانسفورماتور ، برنامه های سوئیچینگ موتور DC و موج های حاصل از روشن شدن مدارهای روشنایی فلورسنت یا سایر موج های تغذیه است.

گذرگاه شکل موج AC

واریستورها در مدارهایی از طریق منبع تغذیه یا فاز به خنثی ، فاز به فاز برای عملکرد AC یا مثبت به منفی برای عملکرد DC متصل می شوند و دارای درجه ولتاژ متناسب با کاربرد آنها هستند. همچنین می توان از واریستور برای تثبیت ولتاژ DC و به ویژه برای محافظت از مدار الکترونیکی در برابر پالس های ولتاژ استفاده کرد.

مقاومت استاتیک وریستور

در حالت عادی عملکرد وریستور از مقاومت بسیار بالایی برخوردار است.

از این‌رو بخشی از نام آن‌، با روشی مشابه با دیود زنر‌، با عبور ولتاژهای آستانه‌پایین‌، بدون تأثیر عمل می‌کند.

با این حال ، هنگامی که ولتاژ وریستور (قطب) از مقدار نامی واریستور فراتر رود ، مقاومت موثر آن با ولتاژ فزاینده به شدت کاهش می یابد ، همانطور که نشان داده شده است.

ما از قانون اهم می‌دانیم که ولتاژ جریان‌(I-V) یک مقاومت ثابت یک خط مستقیم است به‌شرطی که R ثابت نگه‌داشته‌شود.

سپس جریان مستقیماً با اختلاف پتانسیل در سر انتهای مقاومت متناسب است.

اما منحنی های I-V یک واریستور یک‌خط مستقیم نیست زیرا یک تغییر ولتاژ کوچک باعث تغییر قابل توجه جریان می‌شود.

در زیر یک منحنی ولتاژ نرمال در برابر ویژگی های جریان برای یک واریستور استاندارد آورده شده است.

منحنی خصوصیات واریستور

از بالا می بینیم که واریستور دارای ویژگی های دو جهته ای متقارن است.

یعنی وریستور در‌هر دو جهت‌(ربع Ι و ΙΙΙ)‌از شکل موج‌سینوسی عمل می‌کند که رفتاری مشابه دو دیود زنر متصل به‌پشت‌دارد.

هنگامی که هدایت نمی شود ، منحنی I-V یک رابطه خطی را نشان می دهد.

زیرا جریان عبوری از وریستور فقط در چند میکرو آمپر جریان “نشت” ثابت و کم می ماند.

این به دلیل مقاومت بالای آن است که به عنوان یک مدار باز عمل می کند.

تا زمانی که ولتاژ در وریستور (قطب) به یک “ولتاژ نامی” خاص برسد ثابت می ماند.

این ولتاژ نامی یا بستن ولتاژ روی واریستور است که با جریان مشخص شده DC 1mA اندازه گیری می شود.

یعنی سطح ولتاژ DC که در پایانه های آن اعمال می شود و اجازه می دهد تا جریان 1 میلی آمپر از بدن مقاومت واریستور عبور کند که خود به مواد استفاده شده در ساخت آن بستگی دارد.

در این سطح ولتاژ ، واریستور از حالت عایق خود به حالت رسانایی تغییر می کند.

وقتی ولتاژ گذرا در واریستور برابر یا بیشتر از مقدار نامی باشد ، مقاومت دستگاه ناگهان تبدیل شدن واریستور به هادی به دلیل اثر بهمن ماده نیمه هادی آن بسیار ناچیز می شود.

جریان‌نشتی‌کوچکی که از واریستور عبور‌می‌کند به سرعت افزایش می‌یابد اما ولتاژ‌عبور از آن به‌یک سطح‌بالاتر از ولتاژ واریستور محدود می‌شود.

به عبارت دیگر ، واریستور ولتاژ گذرا را از طریق خود تنظیم می کند و اجازه می دهد جریان بیشتری از آن عبور کند و به دلیل منحنی شیب دار غیر خطی I-V می تواند جریان های بسیار متفاوتی را از یک دامنه ولتاژ باریک عبور دهد و هرگونه افزایش ولتاژ را قطع کند.

مقادیر خازنی واریستور

از آنجا که ناحیه هدایت اصلی واریستور بین دو ترمینال آن مانند دی الکتریک رفتار می کند ، در زیر ولتاژ بستن آن ، واریستور مانند خازن عمل می کند تا مقاومت. هر واریستور نیمه هادی دارای یک مقدار ظرفیت است که مستقیماً به ناحیه آن بستگی دارد و با ضخامت آن برعکس متفاوت است.

هنگامی که در مدارهای DC استفاده می شود ، ظرفیت واریستور کم و بیش ثابت می ماند به شرطی که ولتاژ اعمال شده از سطح ولتاژ بستن بیشتر نشود ، و به طور ناگهانی نزدیک به حداکثر ولتاژ DC مداوم تخلیه شود.

با این‌حال‌، در مدارهای‌متناوب‌، این ظرفیت می‌تواند مقاومت بدنه‌دستگاه را در‌ناحیه نشت غیر‌رسانا از مشخصات I-V آن تحت تأثیر قرار‌دهد.

از‌آنجا که‌آنها به‌طور معمول به‌طور موازی با یک‌دستگاه الکتریکی متصل می‌شوند تا از‌آن در‌برابر ولتاژ بیش از حد محافظت ‌کنند.

مقاومت نشت واریستورها با افزایش فرکانس به سرعت کاهش می یابد.

این رابطه تقریباً با فرکانس و مقاومت موازی ناشی از آن ، واکنش متناوب AC آن ، Xc با استفاده از 1/1 (2πƒC) معمول برای خازن معمولی محاسبه می شود.

سپس با افزایش فرکانس ، جریان نشتی آن نیز افزایش می یابد.

واریستورهای اکسید فلز و همچنین واریستور مبتنی بر نیمه‌هادی‌های سیلیکونی‌، برای‌غلبه بر برخی‌از محدودیت‌های مرتبط با‌همتای کاربید سیلیکون آنها ساخته‌شده‌اند.

واریستور اکسید فلز

واریستور اکسید فلز یا MOV‌، یک مقاومت وابسته به ولتاژ است که در آن ماده مقاومت یک اکسید فلزی است.

در درجه اول اکسید روی (ZnO) فشار داده شده به یک ماده مانند سرامیک.

واریستورهای اکسید فلز تقریباً از 90٪ اکسید روی به عنوان ماده پایه سرامیکی به علاوه مواد پرکننده دیگر برای تشکیل اتصالات بین دانه های اکسید روی تشکیل شده اند.

اکسید‌فلز در حال‌حاضر رایج‌ترین نوع دستگاه کنترل ولتاژ است و برای استفاده در‌طیف وسیعی از ولتاژها و جریان‌ها در دسترس‌است.

استفاده از اکسید فلزی در ساختار‌آن‌ها به‌این معنی است که MOV‌در جذب ولتاژهای‌کوتاه‌مدت ولتاژ بسیار‌موثر‌بوده و قابلیت‌های مدیریت انرژی بالاتری‌دارند.

همانند واریستور طبیعی‌، واریستور اکسید فلز با ولتاژ‌خاصی هدایت‌را‌شروع‌می‌کند و هنگامی‌که ولتاژ به‌زیر ولتاژ آستانه می‌رسد هدایت را متوقف می‌کند.

تفاوت اصلی بین واریستور سیلیکون کاربید استاندارد (SiC) و واریستور نوع MOV این است که جریان نشت از طریق ماده اکسید روی MOV در شرایط کار عادی جریان بسیار کمی است و سرعت عمل در بستن گذرا بسیار سریعتر است.

MOV به طور کلی دارای لیدهای شعاعی و یک پوشش اپوکسی آبی یا مشکی بیرونی سخت است.

که شباهت‌زیادی به خازن های سرامیکی دیسک دارد و می‌تواند به روشی مشابه بر روی صفحه‌های مدار و PCB نصب‌شود.

ساخت واریستور اکسید فلز معمولی به شرح زیر است:

ساختار واریستور اکسید فلز

برای انتخاب‌MOV‌صحیح برای یک برنامه خاص‌، مطلوب است که کمی از امپدانس منبع و قدرت پالس احتمالی گذرا مطلع باشید.

برای گذراهای منتقل‌شده از خط یا فاز‌، انتخاب MOV صحیح کمی دشوارتر‌است زیرا به‌طور کلی مشخصات منبع تغذیه ناشناخته است.

به طور کلی‌، انتخاب‌MOV برای محافظت‌الکتریکی مدارها در‌برابر گذرگاه ها و سنسورهای منبع تغذیه‌، اغلب چیزی بیش از حدس خورده‌است.

با این‌حال‌، واریستورهای اکسید فلز در دامنه‌وسیعی از ولتاژهای واریستور‌،‌از حدود‌10 ولت تا بیش از‌1000 ولت AC یا DC در‌دسترس‌هستند.

بنابراین با دانستن ولتاژ تغذیه می توان به انتخاب کمک کرد.

به عنوان مثال:

برای‌انتخاب ولتاژ MOV یا سیلیکون واریستور‌، برای ولتاژ‌، حداکثر درجه‌ولتاژ rms پیوسته آن باید دقیقاً بالاتر‌از بالاترین ولتاژ تأمین‌شده مورد‌انتظار‌باشد.

مثلاً 130 ولت rms برای یک ولتاژ 120 ولت و 260 ولت rms برای 230 ولت.

حداکثر مقدار جریان ولتاژ واریستور به عرض پالس گذرا و تعداد تکرار پالس بستگی دارد.

می‌توان فرض هایی را به‌عرض یک پالس گذرا که به‌طور معمول 20 تا 50 میکروثانیه (μs) طول دارند‌، بیان کرد.

اگر حداکثر درجه جریان پالس کافی نباشد‌، ممکن است واریستور بیش از حد گرم شود و آسیب ببیند.

بنابراین برای اینکه واریستور بدون هیچگونه خرابی کار کند ، باید بتواند به سرعت انرژی جذب شده نبض گذرا را از بین ببرد و با خیال راحت به حالت قبل از نبض خود بازگردد.

برنامه های وریستورها

واریستورها مزایای بسیاری دارند و می توانند در انواع مختلفی از برنامه ها برای سرکوب،

گذرنده‌های اصلی از لوازم خانگی و روشنایی تا تجهیزات صنعتی در هر دو خط برق AC یا DC استفاده شوند.

برای‌محافظت از ترانزیستورها‌، پل‌های‌MOSFET و تریستور‌، واریستورها می‌توانند مستقیماً از طریق منبع‌تغذیه و از طریق سوئیچ های نیمه هادی متصل‌شوند.

برنامه های وریستور

خلاصه varistor

در این آموزش دیده ایم که وظیفه اصلی یک مقاومت وابسته به ولتاژ یا VDR ، محافظت از دستگاه های الکترونیکی و مدارهای الکتریکی در برابر افزایش ولتاژ و افزایش سن ، مانند موارد تولید شده توسط گذرگاههای سوئیچینگ القایی است.

از آنجا که چنین واریستورهایی در مدارهای الکترونیکی حساس مورد استفاده قرار می گیرند تا اطمینان حاصل شود که اگر ولتاژ ناگهان از مقدار از پیش تعیین شده فراتر رود ، واریستور در واقع تبدیل به یک اتصال کوتاه برای محافظت از مداری می شود که از ولتاژ بیش از حد متوقف می شود زیرا قادر به مقاومت در برابر جریان های پیک صدها از آمپر هستند.

وریستورها نوعی مقاومت با مشخصه ولتاژ جریان غیرخطی و غیر اهمی هستند.

وسیله ای مطمئن و اقتصادی برای ایجاد محافظت در برابر ولتاژ گذرا و افزایش ولتاژ هستند.

آنها با عملکرد به عنوان یک دستگاه مسدود کننده مقاومت بالا در ولتاژهای پایین و به عنوان یک دستگاه هدایت کننده مقاومت کم در ولتاژهای بالاتر به این مهم دست می یابند.

تأثیر وریستور در‌محافظت از مدار‌الکتریکی یا الکترونیکی به انتخاب مناسب وریستور با‌توجه به ولتاژ‌، جریان و اتلاف انرژی بستگی دارد.

وریستورهای اکسید فلز یا MOV به طور معمول از یک ماده اکسید روی فلزی کوچک به شکل دیسک ساخته می‌شوند.

آنها در مقادیر زیادی برای دامنه های ولتاژ خاص در دسترس هستند.

ولتاژ وریستور

درجه ولتاژ MOV ، به نام “ولتاژ وریستور” ولتاژ یک وریستور است که جریان 1mA از طریق دستگاه عبور می‌کند.

این سطح ولتاژ وریستور در اصل همان نقطه‌ای است که منحنی مشخصه I-V هنگام شروع دستگاه برای هدایت دستگاه است.

همچنین می توان واریستورهای اکسید فلز را به طور سری متصل کرد تا درجه ولتاژ گیره را افزایش دهد.

در حالی که وریستورهای اکسید فلز به طور گسترده ای در بسیاری از مدارهای الکترونیکی برق AC برای محافظت در برابر ولتاژ گذرا مورد استفاده قرار می گیرند ، انواع دیگری از دستگاه های سرکوب ولتاژ حالت جامد مانند دیودها ، دیودهای زنر و سرکوبگرها نیز وجود دارد که همگی می توانند در برخی ولتاژهای AC یا DC استفاده شوند.