در طراحی مدارها و سیستم های الکتریکی برخی از قطعات حساسیت بالایی نسبت به نوسانات ولتاژ دارند که
باید از آنها محافظت شود. این قطعه محافظت کننده و با نام وریستور چیست و چطور این کار را انجام میدهد؟

اگر می خواهید بدانید که چطور باید از مدارتان در برابر تغییرات ولتاژ محافظت کنید و
مانع از سوختن قطعات حساس شوید،
این پست به شما کمک میکند و اطلاعات خوبی در اختیارتان می گذارد.

در ویدیوی کوتاه و فارسی زیر با وریستور و رایجترین نوع آن یعنی MOV و نحوه عملکردش آشنا میشوید.

وریستور چیست ؟

وریستور (varistor) یک قطعه الکترونیکی و
دارای مقاومت الکتریکی متغیر غیر خطی و وابسته به ولتاژ اعمال شده است و
به همین دلیل به عنوان مقاومت وابسته به ولتاژ یا (Voltage Dependent Resistor (VDR هم شناخته میشود.

وریستور چیست -انواع وریستور و نحوه نمادگذاری

مشابه دیود، نمودار مشخصه ولتاژ – جریان برای این قطعه به صورت غیر خطی و غیر اهمی است،
ولی برخلاف دیود، میتواند جریان را در هر دو جهت عبور دهد.
ساختار وریستورها  از اتصال دو یکسوکننده (rectifiers) به صورت معکوس و موازی تشکیل شده و
به همین دلیل نمادگذاری آن در گذشته به صورت زیر بود.
از انواع آنها میتوان به یکسوکننده های اکسید مس و اکسید ژرمانیوم اشاره کرد.

وریستور چیست -عملکردی شبیه دیود یکسوکننده

فهمیدیم وریستور چیست، حال با توجه به نکات گفته شده در مورد ساختار وریستور، با طرز کار آن آشنا میشویم.

وریستور چطور از مدار و قطعات الکترونیکی محافظت میکند؟

در ولتاژ پایین مقدار امپدانس یا مقاومت یک وریستور بالا است،
اما وقتی که ولتاژ بیشتر از مقدار آستانه (threshold) شد، مقدار مقاومت کاهش پیدا میکند.

با استفاده از وریستورها به عنوان قطعات کنترل کننده در مدارها میتوان شرایط عملیاتی مطلوبی را فراهم کرد.
همچنین از وریستورها اغلب برای محافظت از مدار در برابر نوسانات بیش از حد ولتاژ (ولتاژهای گذرا) استفاده میشود.

وریستور چیست -نوسانات ولتاژ

این ولتاژهای ناپایدار (transient voltages) باعث ایجاد جریان های اضافه در مدار میشود.
وریستور ولتاژ ناپایدار را تا سطح ایمن بسته و با منحرف کردن مسیر این جریان ها،
مانع از رسیدن آنها به قطعات حساس در مدار میشود.

چه عواملی در چه شرایطی میتواتند باعث ایجاد ولتاژهای ناپایدار شوند؟

  • 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 انسانها- باعث ایجاد ولتاژهای ناپایدار در مدارهای الکترونیکی.
  • موارد دیگر

در واقع بخشی از انرژی موج ورودی جذب و بخشی از آن هدایت شده و
به این طریق از مدار و اجزای آن محافظت میشود.
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 میکند و قطعه مورد نظر سالم می ماند.

وریستور چیست -نحوه قرارگیری و محافظت در مدار

مهم ترین و پر کاربردترین نوع وریستور چیست ؟

وریتستورهای مدرن عمدتا از ترکیبات سرامیکی اکسیدهای فلزی ساخته شده اند و
فقط در مقیاس میکروسکوپی جریان را عبور میدهند.
این نوع وریستورها به عنوان وریستورهای اکسید فلزی یا (metal-oxide varistor (MOV شناخته می شوند.

وریستور چیست -وریستور اکسید فلز

حالا که با طرز کار این قطعه آشنا شدیم باید بفهمیم رایجترین نوع وریستور چیست ؟

وریستور اکسید فلز یا MOV چیست؟

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 (threshold voltage) شود،
هدایت را متوقف کرده و ولتاژهای ناپایدار را به خوبی مهار می کند.
در واقع با جذب انرژی های مخرب و پراکنده کردن آنها به شکل گرما،
از اجزای آسیب پذیر مدار محافظت کرده و مانع از آسیب دیدن سیستم میشود.

ساختار 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.

وریستور چیست -ساختار وریستور

این ساختار چنین ویژگی هایی دارد :

  • مرز بین هر دانه و همسایه آن، یک اتصال دیود (diode Junction) را ایجاد کرده که
    جریان را فقط در یک جهت عبور میدهد.
  • توده دانه های با محور تصادفی، از نظر الکتریکی مشابه
    یک شبکه از جفت دیودهای پشت به پشت (back to back) عمل میکنند و
    هر جفت موازی با جفت های دیگر است.

مشخصه ولتاژ – جریان در این ساختار مشابه مشخصه ولتاژ – جریان غیر خطی در دیودها است که
در شکل زیر آمده و نشان دهنده این موارد است :

وریستور چیست -نمودار ولتاژ جریان

  • وقتی که یک ولتاژ متوسط کوچک در سراسر الکترود اعمال میشود،
    جریان های عبوری کوچکی بر اثر نشت معکوس (reverse leakage) از محل اتصالات دیود پدیدار میشوند.
  • 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 میشود.
  • 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 میشوند که
    MOV در ولتاژ های پایین مقاومت بالا و در ولتاژ های بالا مقاومت کمی داشته باشد.

وریستور چیست -منحنی مقاومت بر حسب ولتاژ

توضیح نحوه کار یک MOV با مثال آزمایش اعمال توان

در یک درایو اگر توانی بیش از ظرفیتش به آن اعمال کنیم،
مثلا اعمال 400 ولت به درایو 200 ولتی، نتیجه اینطور میشود که:
در داخل درایو، یکی از MOV های ورودی سوخته،
و به این روش از باقی قسمت های درایو محافظت میکند تا آسیبی به آنها نرسد.

وریستور چیست -محافظت از درایو

در نتیجه هدف از طراحی MOV ها

  • 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 میکند.
  • یک وریستور اکسید فلز خوب، به طور گسترده ای در بسیاری از مدارهای الکترونیکی AC استفاده میشود تا
    در برابر ولتاژهای ناپایدار (متغیر) از مدار محافظت کند.

یاد گرفتیم وریستور چیست و MOV به عنوان یک وریستور اکسید فلزی، چه ساختاری دارد و چطور از سیستم محافظت میکند،
در ادامه با محدودیت ها و کاربردهای وریستور آشنا میشویم.

محدودیت های وریستورها و MOV ها

  • 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 میشود.
  • وریستورها نمی توانند به مدت طولانی از قطعات در مقابل افزایش ولتاژ های ناپایدار و ناخواسته محافظت کنند و
    آسیب می بینند. استفاده از آنها در این شرایط باعث میشود:
    در مدار بصورت اتصال کوتاه عمل کنند و یا به علت افزایش دما و گداخته شدن آتش بگیرند.
  • یک وریستور نمیتواند از قطعات در این موارد محافظت کند:
    در برابر فشار موج جریان ورودی (inrush current surges) در هنگام راه اندازی تجهیزات.
    در برابر جریان های بیش از حد بالا (overcurrent) که توسط یک مدار کوتاه ایجاد شده اند.
    در برابر افت ناگهانی ولتاژ (voltage sags).

کاربردهای وریستور

1- برای محافظت از خطوط مخابراتی، از وریستورها به همراه بلوک های کربنی و دیودها استفاده میشود.

2- در زیرساخت ها و صنایع مرتبط و لوله های تخلیه گاز، وریستورها به کار میروند.

وریستور چیست -کاربرد در خطوط مخابراتی و زیرساخت ها

3- در دستگاه های محافظ و رابط برق (surge protector power strip) از MOV ها استفاده میشود.
در نمونه های ارزان این دستگاه ها، تنها از یک وریستور استفاده میشود،
در حالیکه در نمونه های با قابلیت محافظت بهتر،
به ازای هر خانه پریز در رابط، از یک وریستور استفاده شده است.

وریستور چیست -کاربرد در محافظ ها

4- 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، میتوان از وریستورها استفاده کرد.

وریستور چیست -کاربرد در مدارهای مستقیم و متناوب

نحوه انتخاب وریستور متناسب با نیاز

با دانستن اینکه وریستور چیست و چه کاربردی در مدارهای دارای نوسانات ولتاژ دارد،
باید در انتخاب وریستور مناسب بسیار توجه کرد.
به طور کلی در هنگام انتخاب یک وریستور باید محل مورد استفاده آن را در نظر گرفت و
همچنین توجه به این موارد ضروری است:

  • در هنگام خرید وریستور (VDR) باید به ولتاژ و متناوب یا مستقیم بودن آن توجه کرد و
    انتخاب وریستور با ولتاژ صحیح بسیار مهم است.
  • ولتاژ وریستور نشان دهنده ی ولتاژی است که در صورت عبور آن از وریستور،
    مقاومت آن به سرعت و با شیب زیاد کاهش می یابد.
  • وریستورها دارای ولتاژ AC و DC متفاوتی هستند که
    اطلاعات مربوط به آن در دیتاشیت آنها بیان شده است.
  • همانند دیگر قطعات نیمه رسانا (مثلا دیودها)، وریستورها نیز دارای خاصیت خازنی هستند که
    مقدار آن برای وریستورهای رایج (با قطر 20-7 میلی متر) در حدود 2500-100 پیکو فاراد است.
  • وریستورهای زیر 1pF در SMD ها و برای محافظت از تجهیزات میکروالکترونیک (مثلا در موبایل)
    وجود دارد ولی باید به این مسئله توجه کرد که
    این وریستورهای کوچک توانایی عبور جریان پایینی دارند.

تست سلامت وریستور

اگر مولتی متر را به دو سر وریستور وصل کنیم:
وریستور چیست -تست سلامت با مولتی متر

در صورتی که هیچ امپدانسی نداشته باشد، قطعه سالم است.
در صورتی که دارای مقاومت با مقادیر متفاوت باشد، قطعه معیوب است.

سلامت قطعات الکترونیکی را با یک مولتی متر بسنجیم بنر

انواع دیگری از قطعات حالت جامد برای محافظت در برابر نوسانات ولتاژ وجود دارد مثل دیودها،
دیودهای زنر (Zener diodes) و قطع کننده ها (suppressors)که
میتوان از آنها برای قطع ولتاژ AC یا DC به همراه وریستورها استفاده کرد.

امیدواریم با مطالعه این پست فهمیده باشید وریستور چیست و چطور میتواند از قطعات محافظت کند.

مرجع الکترونیک بنر

ثبت اطلاعات برای دریافت آموزش رایگان

مقاله بالا بخشی از بسته جامع الکترونیک (BEE) است.

برای مشاهده کامل این بسته کلیک کنید.

مشاهده بسته الکترونیک
بسته جامع آموزش الکترونیک

در نماتک نظر دهید