وریستور چیست؟ ساختار انواع وریستور (MOV و SIC)

وریستور ها یک نوع مقاومت هستند که با افزایش ولتاژ مقاومت آن ها افزایش داده میشود. در این مقاله با ساختار وریستور های MOV آشنای میشویم.

وریستور چیست؟

وریستور یک مقاومت وابسته به ولتاژ (VDR) است. مقاومت وریستور متغیر است و به ولتاژ اعمال شده بستگی دارد. این کلمه از قسمت هایی از کلمات “variable resistor” تشکیل شده است. مقاومت وریستور ها با افزایش ولتاژ کاهش می یابد و در صورت افزایش بیش از حد ولتاژ، مقاومت آنها به شدت کاهش می یابد. این رفتار آنها را برای محافظت از مدارها در هنگام نوسانات ولتاژ مناسب می کند. رایج ترین نوع VDR وریستور اکسید فلزی یا MOV است.

واریستورها نیمه هادی های دو عنصری غیرخطی هستند که با افزایش ولتاژ مقاومت آنها کاهش می یابد. مقاومت های وابسته به ولتاژ اغلب به عنوان سرکوب کننده های ولتاژ برای مدارهای حساس استفاده می شوند.

یک مقاومت وابسته به ولتاژ دارای مقاومت متغیر غیر خطی است که بستگی به ولتاژ اعمال شده دارد. آنها اغلب برای محافظت از مدار ها در برابر ولتاژ های گذرا بیش از حد استفاده می شوند. هنگامی که مدار در معرض یک ولتاژ بالا گذرا قرار می گیرد، وریستور شروع به هدایت می کند و ولتاژ گذرا را به سطح ایمن می رساند. انرژی موج ورودی تا حدی هدایت و تا حدی جذب می شود و به این ترتیب از مدار محافظت می شود.

وریستور MOV

رایج ترین نوع وریستور MOV یا وریستور اکسید فلزی است. آنها از یک ماتریس متخلخل از دانه های اکسید روی (ZnO) ساخته شده اند. مرزهای دانه، ویژگی های نیمه هادی اتصال P-N (شبیه به پیوند دیود) را ارائه می دهند. هنگامی که ولتاژ کم اعمال می شود، تنها جریان بسیار کمی جریان می یابد که ناشی از نشت معکوس از طریق اتصالات است. با این حال، هنگامی که یک ولتاژ بالا اعمال می شود، که از ولتاژ شکست فراتر می رود، اتصالات دچار شکست بهمنی می شوند و جریان زیادی می تواند جریان یابد. این رفتار منجر به مشخصه های جریان-ولتاژ غیرخطی می شود.

رابطه بین جریان (I) عبوری و ولتاژ (V) در سرتاسر پایانه‌ها، معمولاً به شرح زیر است:

I = k * Vα

α درجه غیرخطی بودن را توصیف می کند. شکل زیر منحنی مشخصه یک MOV (α بالا) و وریستور SiC (α پایین) را نشان می دهد.

پارامترهای مهم انتخاب یک وریستور عبارتند از ولتاژ کلمپ، جریان پیک، حداکثر انرژی پالس، ولتاژ نامی AC/DC و جریان آماده به کار.

هنگامی که از وریستور در خطوط ارتباطی استفاده می شود، ظرفیت stray نیز یک پارامتر مهم است. یک ظرفیت خازنی بالا می تواند به عنوان فیلتری برای سیگنال های فرکانس بالا عمل کند یا باعث ایجاد تداخل شود و پهنای باند موجود خط ارتباطی را محدود کند.

واریستورها برای حفاظت کوتاه مدت در صورت نوسانات ولتاژ گذرا در حد 1-1000 میکروثانیه مفید هستند. با این حال، آنها برای رسیدگی به نوسانات پایدار مناسب نیستند. اگر انرژی پالس گذرا، که بر حسب ژول (J) اندازه‌گیری می‌شود، به طور قابل‌توجهی از حداکثر فراتر رود، می‌توانند ذوب شوند، بسوزند یا منفجر شوند.

MOV ها وقتی در معرض نوسانات مکرر قرار می گیرند تخریب می شوند. پس از هر بار افزایش ولتاژ کلمپ MOV کمی پایین تر حرکت می کند. با کاهش ولتاژ کلمپ، حالت خرابی احتمالی بوجود می آید و ولتاژ کلمپ به زیر ولتاژ خط محافظت شده می‌رسد. این وضعیت می تواند منجر به خطر آتش سوزی شود. برای جلوگیری از خطرات آتش سوزی، آنها اغلب به صورت سری با فیوز حرارتی متصل می شوند که در صورت گرم شدن بیش از حد، MOV را قطع می کند. برای محدود کردن تخریب، توصیه می شود از یک ولتاژ کلمپ تا حدی که مدار محافظت شده اجازه می دهد استفاده کنید تا میزان قرار گرفتن در معرض نوسانات را محدود کنید.

انواع وریستور

در تصویر زیر چند نمونه از بسته های مختلف وریستور را مشاهده میکنید. بسته بندی Block بلوک برای توان های بالاتر استفاده می‌شود.

مهم ترین انواع وریستور ها عبارتند از:

• وریستور اکسید فلز یا همان MOV که در بالا توضیح داده شد، MOV یک سرکوبگر گذرا غیرخطی است که از اکسید روی (ZnO) تشکیل شده است.
• وریستور کاربید سیلیکون یا همان SiC زمانی این رایج ترین نوع قبل از ورود MOV به بازار بود. این قطعات از کاربید سیلیکون (SiC) استفاده می کنند. آنها به مراتب در برنامه های کاربردی با قدرت بالا و ولتاژ بالا استفاده شده اند.

انواع جایگزین دستگاه های سرکوب کننده برق عبارتند از:

• سلول های سلنیومی – این سرکوبگرها از یکسو کننده های سلنیومی استفاده می کنند که امکان جریان شکست معکوس با انرژی بالا را فراهم می کند. برخی از سلول های سلنیوم دارای خواص خود ترمیمی هستند که به آنها اجازه می دهد در برابر ترشحات پر انرژی مقاومت کنند. با این حال، آنها توانایی بستن MOV های مدرن را ندارند.
• دیود های زنر – یک دستگاه سرکوب گذرا که از فناوری یکسو کننده سیلیکون استفاده می کند. ولتاژ کلمپ بسیار ثابتی دارند. اشکال عمده دیودهای زنر این است که قابلیت اتلاف انرژی محدودی دارند.
• دستگاه‌های اهم – یک دستگاه اهرم موجی را به زمین متصل می‌کند. این اتصال کوتاه تا زمانی ادامه خواهد داشت که جریان به زیر سطح بسیار پایین معینی برسد. ایجاد افکت لگ یا پاور فالو. نمونه هایی از دستگاه های اهرم عبارتند از:

1. لوله تخلیه گاز (GDT) یا شکاف جرقه – این دستگاه ها پس از ایجاد جرقه رسانا هدایت می شوند، عیب آن ها این است که زمان نسبتاً طولانی برای شروع به کار می برند، مزیت آن قابلیت حمل جریان زیاد است.
2. دستگاه حفاظت از نوسانات تریستور (TSPD) – دارای ویژگی های مشابه GDT است، اما می تواند بسیار سریعتر عمل کند.

کاربرد وریستور

مشخصه غیر خطی وریستور آنها را برای استفاده به عنوان محافظ برق ایده آل 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 محافظ برق استفاده می شوند. انواع ویژه وریستور با ظرفیت کم از خطوط ارتباطی محافظت می کند. این VDR ها برای طیف گسترده ای از برنامه ها مفید هستند که می تواند شامل موارد زیر باشد:

• حفاظت از تلفن و سایر خطوط ارتباطی
• حذف موقت تجهیزات ارتباط رادیویی
• محافظ برق سیستم تلویزیون کابلی
• حفاظت از منبع تغذیه
• حفاظت از ریزپردازنده
• حفاظت از تجهیزات الکترونیکی
• حفاظت از سطح برد ولتاژ پایین
• سرکوبگر ولتاژ گذرا (TVSS)
• حفاظت از الکترونیک خودرو
• حفاظت AC با انرژی بالا

محاسبه ولتاژ وریستور

برای یک برد که با ولتاژ 24 کار میکند، یک وریستور 25 ولتی مناسب است. وریستور ها میتوانند در محدوده 10 تا 10,000 ولت را محافظت کنند. مسئله مهم این است که شما در یک مدار مثلا 24 ولت، ولتاژ را افزایش میدهید (مثلا 25،26،27 و…) و مشاهده میکنید وقتی ولتاژ در چه مقداری باشد دستگاه به درستی عمل نمیکند. به این ولتاژ، ولتاژ آستانه اختلال میگویند.

شما باید وریستور را 1 ولت کمتر از ولتاژ آستانه اختلال در نظر بگیرید. شما باید اجازه دهید ولتاژ نوسان کند و بالا تر برود تا زمانی که باعث آسیب دیدن به دستگاه شود. زیرا شما میخواهید یک قطعه را بسوزانید تا المان های دیگر محافظت شوند. بنابراین باید بگذارید ولتاژ تا حد آستانه اختلال کند و در صورت رسید به حد آستانه اختلال، از مدار محافظت کند.

برای محاسبه ولتاژ یک وریستور شما باید از همین روش استفاده کنید. ابتدا ولتاژ آستانه اختلال را پیدا کنید و سپس ولتاژ کمتر از آن را در نظر بگیرید. در نهایت میتوانید بین وریستور های موجود بگردید و وریستوری که ولتاژ آن با ولتاژ مورد نیاز شما مطابقت دارد را استفاده کنید.