وریستور چیست؟ در حقیقت وریستور یک المان نیمه ‌رسانای حالت جامد غیرفعال (پسیو) است که دو ترمینال دارد و برای محافظت از مدارات الکتریکی و الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. رایج ترین نوع VDR وریستور اکسید فلزی یا MOV است. تحقیقات برای ساخت وریستورهای اکسید روی برای اولین بار در سال ۱۹۶۵ در شرکت ماتسوشیتای ژاپن توسط گروه پژوهشی ماتساکا آغاز شد که در نهایت منجر به کشف و ساخت وریستورهای پایه اکسید روی در سال ۱۹۶۸ گردید. به علت مقاومت غیرخطی بالای این وریستورها پژوهش در مورد افزایش کارایی و حل مشکلات این قطعات گسترده‌تر نیز شده و در طی سال‌های ۱۹۶۸ تا ۱۹۸۸ مشکلات طراحی با وریستورهای اکسید روی به تدریج حذف گردید.

 

 

وریستورها که به عنوان VDR یا مقاومت‌ وابسته به ولتاژ (Voltage Dependent Resistor)  از آنها یاد می‌شود، قطعات الکتریکی هستند که وظیفه اصلی‌شان حفاظت از مدارهای الکترونیکی و سیستم‌های قدرت توسط جذب انرژی اضافی و تنظیم مقادیر ناخواسته ولتاژهای زودگذر (ناپایدار) 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.

در کاربرد وریستور باید اشاره کرد که 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. 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. ولتاژهای سریع و گذرا در نیروگاه‌ها و پست‌های قدرت یا مدارهای الکترونیکی می‌تواند ناشی از رعد و برق یا کلیدزنی قطع و وصل خواسته یا ناخواسته یا در مدارهای الکترونیکی حساس می‌تواند ناشی از تخلیه الکتریسیته ساکن جمع شده در بدن انسان باشد که وریستورها بدون خراب شدن می‌توانند به طور مکرر عمل تنظیم و محدود کردن این گونه ولتاژهای ناپایدار و زودگذر را انجام دهند.

 

نحوه عملکرد وریستور:

در ولتاژ پایین مقدار امپدانس یا مقاومت یک وریستور بالا است، اما وقتی که ولتاژ بیشتر از مقدار آستانه شد، مقدار مقاومت کاهش پیدا می کند. با استفاده از وریستورها به عنوان قطعات کنترل کننده در مدارها می توان شرایط عملیاتی مطلوبی را فراهم کرد. همچنین از وریستورها اغلب برای محافظت از مدار در برابر نوسانات بیش از حد ولتاژ (ولتاژهای گذرا) استفاده می شود. این ولتاژهای ناپایدار گذرا باعث ایجاد جریان های اضافه در مدار می شود. وریستور ولتاژ ناپایدار را تا سطح ایمن بسته و با منحرف کردن مسیر این جریان ها، مانع از رسیدن آن ها به قطعات حساس در مدار می شود.

در واقع بخشی از انرژی موج ورودی جذب و بخشی از آن هدایت شده و به این طریق از مدار و اجزای آن محافظت می شود. به همین دلیل وریستورها برای محافظت از مدار در برابر موج های ولتاژ (نوسانات ولتاژ) مناسب هستند. برای محافظت از یک قطعه خاص در مدار، وریستور باید به صورت موازی با آن بسته شود و به این شکل اگر ولتاژ یا جریان اضافه ای به حلقه قطعه وارد شود، مقاومت وریستور کاهش یافته و در نتیجه جریان اضافه از وریستور عبور می کند و قطعه مورد نظر سالم می ماند.

 

 

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.

تا کنون به این پرسش که وریستور چیست پاسخ داده ایم اما باید بدانیم که 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. هنگامی که ولتاژ اعمال شده بیشتر افزایش می یابد و از ولتاژ نامی وریستور بیشتر می شود، مقاومت دستگاه به شدت شروع به کاهش می کند و جریان ها شروع به عبور از وریستور می کنند.

 

 

در صورت بالا بودن ولتاژ، به دلیل کاهش مقاومت، جریانی از وریستور هجوم می‌یابد که ولتاژ را به محدوده‌های مجاز باز می‌گرداند. شکل زیر نمایی از جهش در شکل موج AC را نشان می‌دهد. وریستورها در طول منبع اصلی و به صورت فاز به نول یا فاز به فاز برای کاربردهای AC یا مثبت به منفی 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.

 

شرایط ایجاد ولتاژ ناپایدار در مدارهای الکتریکی:

• رعد و برق – باعث ایجاد ولتاژهای ناپایدار در نیروگاه‌ها یا پست‌های قدرت.
• قطع و وصل کلید و یا تخلیه الکتریسیته ساکن جمع شده در بدن انسان ها – باعث ایجاد ولتاژهای ناپایدار در مدارهای الکترونیکی.
• خاموش و روشن شدن تجهیزات با خاصیت سلفی مانند کنتاکتورها و شیرهای برقی سلنوئیدی
• تابلو های دارای اینورتر ها و درایو های کنترل سرعت و فرکانس موتورهای القایی
• نزدیک بودن به کوره های القایی یا تجهیزات مخابراتی با توان و فرکانس بالا

 

انواع وریستورها:

نوع و کاربرد وریستور به جنس بدنه آن بستگی دارد. در زیر به دو نوع متداول وریستور پرداخته شده است.

• وریستور سیلیکون کارباید (SiC): همانطور که از نام آن می توان حدس زد، بدنه وریستور از سیلیکون کارباید ساخته شده است. زمانی، قبل از اینکه MOV جدید به بازار بیاید، به طور گسترده از آن استفاده می شد. در حال حاضر آن ها به شدت در کاربردهایی با قدرت بالا و ولتاژ بالا استفاده می شوند. با این حال، آن ها جریان آماده به کار قابل توجهی را می کشند و این مشکل اصلی این نوع وریستور است. به همین دلیل، یک شکاف سری برای محدود کردن مصرف برق در حالت آماده به کار مورد نیاز است.
• وریستورهای اکسید فلزی (MOV): از آنجایی که وریستورهای SiC دارای معایب جدی بودند، نوع دیگری از وریستورها، یا به عبارتی وریستورهای اکسید فلزی ساخته شدند. این حفاظت گذرا ولتاژ بسیار خوبی را فراهم می کند و اکنون بسیار محبوب است.  وریستور اکسید فلزی یا MOV همانند سایر وریستورها عملکرد غیر خطی دارد. هدایت الکتریکی را در یک ولتاژ خاص شروع و زمانی که ولتاژ کمتر از ولتاژ آستانه شود، هدایت را متوقف کرده و ولتاژهای ناپایدار را به خوبی مهار می کند. در واقع با جذب انرژی های مخرب و پراکنده کردن آن ها به شکل گرما، از اجزای آسیب پذیر مدار محافظت کرده و مانع از آسیب دیدن سیستم می شود.

 

ساختار وریستورهای نوع MOV:

یک MOV حاوی یک بخش سرامیکی است که در آن دانه های اکسید روی در شبکه ای از اکسید های فلزی دیگر وجود داشته و همچنین مقادیر کمی از بیسموت، کبالت و منگنز نیز بین دو صفحه فلزی یا همان الکترودها، قرار دارد. در واقع ساختار آن شامل یک ماتریس از دانه های اکسید روی رسانا است که توسط مرز دانه ها جدا شده اند.

 

 

این ساختار چنین ویژگی هایی دارد:

• مرز بین هر دانه و همسایه آن، یک اتصال دیود را ایجاد کرده که جریان را فقط در یک جهت عبور می دهد.
• توده دانه های با محور تصادفی، از نظر الکتریکی مشابه یک شبکه از جفت دیودهای پشت به پشت عمل می کنند و هر جفت موازی با جفت های دیگر است.
• به طور کلی می توان گفت که نوع اکسید فلزی رایج ترین نوع وریستور است. این دستگاه از یک ماتریس اکسید فلزی که حاوی توده سرامیکی اکسید روی است تشکیل شده است. برخی از فلزات رایج بیسموت، کبالت و منگنز هستند.
• لایه اکسید فلز اساساً حاوی 90 درصد اکسید روی و 10 درصد سایر فلزات است. لایه اکسید فلزی بین دو الکترود فلزی قرار گرفته است. ماتریس به عنوان یک عامل اتصال عمل می کند به طوری که گرانول های اکسید روی را می توان دست نخورده بین دو الکترود فلزی نگه داشت. سطح مرزی مانند محل اتصال یک دیود نیمه هادی رفتار می کند.

 

منحنی مشخصه وریستور:

در ادامه پاسخ به سوال وریستور چیست  به بررسی منحنی مشخصه وریستور میپردازیم. منحنی مشخصه ولتاژ بر حسب جریان معمولی نرمال شده مربوط به یک وریستور استاندارد در شکل زیر نمایش 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 1 میلی آمپر DC اندازه‌گیری می‌شود. این ولتاژ، سطح ولتاژ DC است که به پایه‌های وریستور اعمال می‌شود تا جریانی به اندازه 1 میلی آمپر 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.

 

مشخصات فنی وریستور ها:

• حداکثر ولتاژ کاری: اوج ولتاژ DC حالت پایدار یا ولتاژ RMS سینوسی است که می تواند به طور مداوم در دمای مشخص اعمال شود.
• ولتاژ واریستور: بسته به کاربرد وریستور ، ولتاژ بین پایانه های وریستور با جریان اندازه گیری DC مشخص اعمال می شود.
• ولتاژ بستن: ولتاژ بین پایانه های وریستور با جریان ضربه ای مشخصی است که برای بدست آوردن ولتاژ پیک اعمال می شود.
• جریان موجی: حداکثر جریانی که از وریستور می گذرد.
• حداکثر انرژی: حداکثر انرژی که با اعمال یک ضربه گذرا تلف می شود.
• تغییر ولتاژ: تغییر ولتاژ پس از دادن جریان موج.
• ظرفیت خازنی: زمانی اندازه گیری می شود که ولتاژ کمتر از ولتاژ وریستور باشد.
• جریان نشتی: جریانی که از وریستور در حالت غیر رسانایی عبور می کند.
• زمان پاسخ: زمان بین اعمال ولتاژ نامی و انتقال از حالت نارسانا به حالت رسانا.

• 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 مجاز.
• در زمان وقوع ولتاژ بالا، وریستورها ولتاژ گذرا را هدایت می‌کنند و به سطح ایمن کلمپ می‌رسانند.
• انرژی موج ورودی تا حدی هدایت و جذب می شود.
• جریان عبوری بسیار کم در هنگام اعمال ولتاژ پایین تر از حد آستانه
• وریستورها نمی توانند با موج های انرژی پایدار غیر گذرا مقابله کنند.
• اگر انرژی جذب شده از حداکثر مطلق نامی فراتر رود، احتمال دارد وریستور 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.
• هنگام استفاده در خطوط ارتباطی باید ظرفیت خازنی 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.
• وقتی که یک ولتاژ متوسط کوچک در سراسر الکترود اعمال می شود، جریان های عبوری کوچکی بر اثر نشت معکوس از محل اتصالات دیود پدیدار می شوند.
• با اعمال یک ولتاژ بزرگ، اتصال دیود به دلیل پدیده های نشر ترمویونیک و تونل زنی الکترون و بر اثر عبور جریان های بزرگ، شکسته می شود.
• مرز دانه ها مسئول جلوگیری از هدایت در ولتاژ های پایین بوده و همچنین منبع هدایت الکتریکی غیر خطی در ولتاژ های بالا هستند و باعث می شوند که MOV در ولتاژ های پایین مقاومت بالا و در ولتاژ های بالا مقاومت کمی داشته باشد.
• هدف MOV جذب و هدایت ولتاژهای ناپایدار و تحمل انرژی های بالای اعمال شده به سیستم، در یک مدت زمان کوتاه است که در انجام این کار موثرتر از وریستورهای معمولی عمل می کند.
• یک وریستور اکسید فلز خوب، به طور گسترده ای در بسیاری از مدارهای الکترونیکی AC استفاده می شود تا در برابر ولتاژهای ناپایدار (متغیر) از مدار محافظت کند.
• یک MOV به طور معمول توانایی هدایت انرژی های پایدار (ثابت) را ندارد زیرا اعمال ولتاژ ثابت بالا به آن، باعث اتلاف انرژی زیادی شده و در نهایت منجر به آتش گرفتن MOV می شود.
• وریستورها نمی توانند به مدت طولانی از قطعات در مقابل افزایش ولتاژ های ناپایدار و ناخواسته محافظت کنند و آسیب می بینند. استفاده از آن ها در این شرایط باعث می شود در مدار به صورت اتصال کوتاه عمل کنند و یا به علت افزایش دما و گداخته شدن آتش بگیرند.
• یک وریستور نمی تواند از قطعات در موارد زیر محافظت کند
  • جریان ورودی ناگهانی در هنگام راه اندازی تجهیزات الکتریکی
  • جریان های بیش از حد بالا که توسط یک مدار اتصال کوتاه شده ایجاد شده اند.
  • افت ناگهانی ولتاژ شبکه برق ورودی

 

کاربرد وریستور:

پس از پاسخ به سوال وریستور چیست، حال به بررسی کاربرد های وریستور میپردازیم. 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  وریستورها 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 ولتاژ گذرا در 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
• حفاظت از لوازم الکترونیکی خودرو

• برای محافظت از خطوط مخابراتی، از وریستورها به همراه بلوک های کربنی و دیودها استفاده می شود.
• در زیرساخت ها و صنایع مرتبط و لوله های تخلیه گاز، وریستورها به کار می روند.
• در برخی دستگاه های محافظ و رابط برق از MOV ها استفاده می شود.
• برای نمونه های ارزان این دستگاه ها، تنها از یک وریستور استفاده می شود در حالی که در نمونه های با قابلیت محافظت بهتر، به ازای هر خانه پریز در رابط، از یک وریستور استفاده شده است.
• به طور کلی در هر مدار AC یا DC و در هر نوع از تجهیزاتی که نیاز به محافظت در برابر ولتاژهای ناپایدار داشته باشند، می توان از وریستورها استفاده کرد.
• می‌توانند مستقیما و یا از طریق کلیدهای نیمه‌رسانا به منابع تغذیه متصل شوند و از ترانزیستورها، ماسفت‌ها و پل‌های تریستوری محافظت کنند.
• وریستورها دارای مزیت‌های بسیاری هستند و کاربردهای متنوعی در سرکوب ولتاژهای گذرا در شبکه برق در کاربردهای خانگی و روشنایی و نیز تجهیزات صنعتی در خطوط انرژی AC و DC دارند.

 

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

برای تهیه کارت جرقه گیر تکتا تجهیز به صفحه محصول مراجعه فرمایید.

 

منبع