وَریستور (مقاومت وابسته به ولتاژ) یک قطعه نیمه هادی حالت جامد پسیو با دو ترمینال است که برای محافظت از مدارهای الکتریکی و الکترونیکی استفاده می‌شود.
برخلاف فیوز یا قطع کننده مدار، که از جریان بیش از حد محافظت می‌کند ، وریستور از طریق کلمپ (محدود کردن) ولتاژ به روشی مشابه دیود زنر، از ولتاژ بیش از حد محافظت می‌کند.
کلمه «وریستور» ترکیبی از کلمات متغیر (VARIable) و مقاومت (resiSTOR) است که برای توصیف نحوه عملکرد آنها در روزهای اولیه توسعه استفاده می‌شود. این کمی گمراه کننده است زیرا مقدار وریستور مانند پتانسیومتر یا رئوستا به صورت دستی تغییر نمی‌کند.
اما برخلاف مقاومت متغیر، که مقدار آن می‌تواند به صورت دستی بین مقادیر حداقل و حداکثر آن متغیر باشد، وریستور با تغییر ولتاژ دو سر آن، مقاومت خود را به طور خودکار تغییر می‌دهد. این امر آن را به یک مقاومت غیر خطی وابسته به ولتاژ یا به طور خلاصه، VDR تبدیل می‌کند.
امروزه بدنه مقاومتی وریستور از مواد نیمه رسانا ساخته می‌شود و آن را به نوعی مقاومت نیمه هادی با ولتاژ متقارن غیر اهمی و ویژگیهای جریان مناسب برای کاربردهای ولتاژ AC و DC تبدیل می‌کند.
از بسیاری جهات، وریستور از نظر اندازه و طرح شبیه به یک خازن است و اغلب اشتباه گرفته می‌شود. با این حال، یک خازن نمی‌تواند مانند وریستور یک موج ولتاژ را سرکوب کند. هنگامی که یک موج ولتاژ بالا به مدار وارد می‌شود، نتیجه معمولا برای مدار فاجعه بار است، بنابراین، وریستور نقش مهمی در محافظت از مدارهای الکترونیکی ظریف در برابر اسپایک (میخ) سوئیچینگ و اضافه ولتاژ گذرا (ناپایدار) دارد.
موج‌های گذرا از انواع مدارهای الکتریکی و منابع منشأ می‌گیرند، بدون توجه به اینکه با منبع تغذیه AC یا DC کار می‌کنند. زیرا غالباً در مدار تولید شده و یا از منابع خارجی به مدار منتقل می‌شوند. ناپایداری در مدار می‌تواند به سرعت رشد کند و ولتاژ را به چندین هزار ولت افزایش دهد، و باید از ظاهر شدن این اسپایک‌های ولتاژ در مدارها و اجزای الکترونیکی ظریف جلوگیری شود.
یکی از متداول ترین منابع ولتاژ ناپایدار، اثر L(di/dt) ناشی از سوئیچینگ سیم پیچ‌های القایی و جریان‌های مغناطیسی ترانسفورماتور، کاربردهای سوئیچینگ موتور DC و موج‌های حاصل از روشن شدن مدارهای روشنایی فلورسنت یا سایر موج‌های تغذیه است.
ناپایداری‌های شکل موج AC
وریستورها در عملیات AC یا به طور فاز به نول و یا فاز به فاز و در عملیات DC از مثبت به منفی به منبع متصل می‌شوند و دارای ولتاژهای نامی متناسب با کاربرد خود هستند. همچنین می‌توان از وریستور برای تثبیت ولتاژ DC و به ویژه برای محافظت از مدار الکترونیکی در برابر پالس‌های ولتاژ استفاده کرد.
مقاومت ایستا (استاتیک) وریستور
در حالت عادی، وریستور از مقاومت بسیار بالایی برخوردار است (که بخشی از نام آن از همین رو انتخاب شده است) و مشابه دیود زنر، ولتاژ آستانه پایین‌تر را از خود عبور می‌دهد، بدون اینکه بر آن تاثیری بگذارد.
با این حال، هنگامی که ولتاژ دو سر وریستور (با هر پلاریته‌ای) از مقدار نامی آن فراتر رود، همان طور که در شکل نشان داده شده، مقاومت موثر آن با افزایش ولتاژ، به شدت کاهش می‌یابد.
ما از قانون اهم می‌دانیم که مشخصه جریان-ولتاژ (I-V) یک مقاومت ثابت، خطی مستقیم است، به شرطی که R ثابت نگه داشته شود. پس جریان رابطه‌ای مستقیم با اختلاف پتانسیل دو سر مقاومت دارد.
اما منحنی I-V یک وریستور، خطی مستقیم نیست، زیرا تغییرات کم ولتاژ، باعث تغییری قابل توجه در جریان می‌شود. در زیر یک منحنی مشخصه نرمال ولتاژ نسبت به جریان برای یک وریستور استاندارد آورده شده است.
منحنی مشخصه وریستور
در شکل بالا می‌بینیم که وریستور دارای مشخصه متقارن دو جهته است، یعنی وریستور در هر دو جهت از شکل موج سینوسی (ربع 1 و 3) عمل می‌کند، رفتاری مشابه دو دیود زنر که پشت سر هم متصل شده باشند. هنگامی که وریستور هدایت نمی‌کند، منحنی I-V یک رابطه خطی را نشان می‌دهد، زیرا مقدار جریان عبوری از وریستور، که جریان «نشت» نامیده می‌شود، تنها چند میکرو آمپر و ثابت باقی می‌ماند. این به دلیل مقاومت زیاد آن است که به عنوان یک مدار باز عمل می‌کند و تا زمانی که ولتاژ دو سر وریستور (در هر پلاریته‌ای) به یک «ولتاژ نامی» خاص برسد، ثابت می‌ماند.
این ولتاژ نامی یا ولتاژ کلمپ، ولتاژی است که با جریان مشخص شده 1mA DC محاسبه می‌شود. یعنی سطح ولتاژ DC اعمال شده به دو سر وریستور که اجازه می‌دهد تا جریان 1 میلی آمپر از بدنه مقاومتی آن، که خود به مواد استفاده شده در ساخت آن بستگی دارد، عبور کند. در این سطح ولتاژ، وریستور شروع به تغییر از حالت عایق به حالت رسانایی می‌کند.
وقتی ولتاژ گذرای دو سر وریستور برابر یا بیشتر از مقدار نامی باشد، مقاومت قطعه ناگهان بسیار کم می‌شود و به دلیل اثر بهمنی ماده نیمه هادی که در ساخت آن استفاده شده، وریستور را به هدایت کننده تبدیل می‌کند. جریان نشتی کوچکی که از وریستور عبور می‌کند، به سرعت افزایش می‌یابد اما ولتاژ دو سر آن به سطحی بالاتر از ولتاژ وریستور محدود می‌شود.
به عبارت دیگر، واریستور جریان بیشتری از خود عبور می‌دهد و با این کار، ولتاژ گذرای دو سرش را خود تنظیم می‌کند؛ و به دلیل شیب تند منحنی غیر خطی I-V، می‌تواند بازه وسیعی از جریان‌ها را از یک دامنه ولتاژ باریک عبور دهد و هرگونه افزایش ولتاژ لحظه‌ای را قطع کند.
مقادیر خازنی وریستور
از آنجا که ناحیه هدایت اصلی وریستور، بین دو ترمینال آن، مانند دی الکتریک (عایق) رفتار می‌کند، در مقادیر کمتر از ولتاژ نامی آن، وریستور بیشتر نقش خازنی دارد تا مقاومتی. هر وریستور نیمه هادی دارای یک مقدار ظرفیت خازنی است که با مساحت آن نسبت مستقیم و با ضخامت آن نسبت معکوس دارد.
هنگامی که در مدارهای DC استفاده می‌شود، ظرفیت خازنی وریستور کم و بیش ثابت می‌ماند، به شرطی که ولتاژ اعمال شده از سطح ولتاژ نامی بیشتر نشود، و نزدیک به حداکثر ولتاژ DC پیوسته به طور ناگهانی تخلیه شود.
اما در مدارهای AC، این ظرفیت خازنی می‌تواند مقاومت بدنه دستگاه را در ناحیه نشت غیر رسانا از مشخصه I-V آن تحت تأثیر قرار دهد. از آنجا که وریستورها به طور معمول به طور موازی با یک دستگاه الکتریکی متصل می‌شوند تا از آن در برابر اضافه ولتاژ محافظت کنند، مقاومت نشتی آنها با افزایش فرکانس، به سرعت کاهش می‌یابد.
این رابطه با فرکانس و مقاومت موازی ناشی از آن، تقریبا خطی است و راکتانس AC آن (XC) را می‌توان با استفاده از 1/(2πfC)، که برای خازن‌های معمولی به کار می‌رود، محاسبه کرد. پس با افزایش فرکانس، جریان نشتی آن نیز افزایش می‌یابد.
علاوه بر وریستورهای نیمه هادی سیلیکونی، وریستورهای اکسید فلز برای غلبه بر برخی از محدودیت های مرتبط با کاربید سیلیکون، تولید شده‌اند.
وریستور اکسید فلز
وریستور اکسید فلز یا MOV، یک مقاومت وابسته به ولتاژ است که در آن ماده مقاومتی یک اکسید فلزی (معمولا اکسید روی ZnO) است که به یک ماده سرامیک مانند فشرده می‌شود. وریستورهای 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 شده‌اند.
وریستورهای اکسید فلز در حال حاضر متداول ترین نوع قطعات محدود کننده ولتاژ هستند و برای استفاده در دامنه وسیعی از ولتاژها و جریان‌ها در دسترس هستند. استفاده از یک اکسید فلزی در ساخت آنها به این معنی است که MOV ها در جذب ناپایداری‌های کوتاه مدت ولتاژ بسیار موثر و از قابلیت‌های مدیریت انرژی بالاتری برخوردار هستند.
مانند وریستورهای معمولی، وریستور اکسید فلز در ولتاژ خاصی هدایت را شروع می‌کند و هنگامی که این مقدار به زیر ولتاژ آستانه می‌رسد، هدایت را متوقف می‌کند. تفاوت اصلی بین وریستورهای کابید سیلیکون استاندارد (SiC) و نوع MOV آن است که جریان نشتی اکسید روی در MOV در شرایط کار عادی بسیار کم و سرعت عمل آن در محدود کردن ناپایداری‌ها بسیار سریع‌تر است.
MOV ها عموما دارای پایه‌های شعاعی و یک پوشش اپوکسی آبی یا مشکی بیرونی سخت هستند که شباهت زیادی به خازن‌های سرامیکی دیسکی دارد و می‌توانند به روشی مشابه بر روی صفحه‌های مدار و PCB نصب شوند. ساخت وریستور اکسید فلز معمولی به شرح زیر است:
ساخت وریستور اکسید فلز
برای انتخاب MOV صحیح برای یک کابرد خاص، بهتر است که از امپدانس منبع و قدرت پالس احتمالی ناپایداری‌ها مطلع باشید. برای ناپایداری‌های منتقل شده از خط یا فاز، انتخاب MOV صحیح کمی دشوارتر است، زیرا معمولا مشخصات منبع تغذیه ناشناخته است. به طور کلی، انتخاب MOV برای حفاظت الکتریکی مدارها در برابر ناپایداری‌ها و اسپایک‌های منبع تغذیه، اغلب بیش از یک برآورد تجربی است.
با این حال، وریستورهای اکسید فلز در دامنه وسیعی از ولتاژهای وریستور، از حدود 10 ولت تا بیش از 1000 ولت AC یا DC، در دسترس هستند. بنابراین دانستن ولتاژ تغذیه می‌تواند به انتخاب کمک کند. به عنوان مثال، در انتخاب یک MOV یا حتی وریستور سیلیکونی، حداکثر ولتاژ نامی rms پیوسته آن باید از بالاترین ولتاژ تغذیه مورد انتظار، بیشتر باشد، مثلاً 130 ولت rms برای ولتاژ تغذیه 120 ولت و 260 ولت rms برای ولتاژ تغذیه 230 ولت.
حداکثر مقدار جریان موجی که وریستور می‌تواند تحمل کند به عرض پالس گذرا و تعداد تکرار پالس بستگی دارد. می‌توان فرض کرد که عرض یک پالس گذرا به طور معمول 20 تا 50 میکرو ثانیه (μs) است. اگر جریان پالس نامی حداکثر کافی نباشد، ممکن است وریستور بیش از حد گرم شده و آسیب ببیند. بنابراین، برای این که یک وریستور بدون هیچ گونه خرابی یا آسیب کار کند، باید بتواند به سرعت انرژی جذب شده پالس گذرا را از بین ببرد و به طور امن به حالت قبل از پالس خود بازگردد.
کاربرد های وریستور
وریستورها مزایای بسیاری دارند و می‌توانند در کاربردهای مختلفی برای مهار ناپایداری‌های برق شهری، از لوازم خانگی و روشنایی تا تجهیزات صنعتی در خطوط برق AC یا DC استفاده شوند. برای محافظت از ترانزیستورها، MOSFET ها و پل‌های تریستور، وریستورها می‌توانند مستقیما به منابع تغذیه برق شهری و یا سوئیچ‌های نیمه هادی متصل شوند.
خلاصه وریستور
در این آموزش دیدیم که وظیفه اصلی یک مقاومت وابسته به ولتاژ یا VDR، محافظت از قطعات الکترونیکی و مدارهای الکتریکی در برابر موج و افزایش ناگهانی ولتاژ، مانند موارد تولید شده توسط ناپایداری‌های سوئیچینگ القایی است.
به این ترتیب، از وریستورها در مدارهای الکترونیکی حساس استفاده می‌شود تا اطمینان حاصل شود که اگر ولتاژ ناگهان از یک مقدار از پیش تعیین شده فراتر رفت، وریستور در واقع تبدیل به یک اتصال کوتاه می‌شود و از مداری که به طور موازی به آن متصل شده، در برابر اضافه ولتاژ محافظت می‌کند، زیرا قادر به تحمل جریان‌های پیک (قله) به مقدار صدها آمپر است.
وریستورها نوعی مقاومت با مشخصه جریان-ولتاژ غیر خطی و غیر اهمی بوده و وسیله‌ای مطمئن و مقرون به صرفه برای ایجاد محافظت در برابر ناپایداری‌ها و موج‌های اضافه ولتاژ هستند.
آنها با عملکرد به عنوان یک قطعه مسدود کننده با مقاومت بالا در ولتاژهای پایین و به عنوان یک قطعه هدایت کننده با مقاومت کم در ولتاژهای بالاتر، به این مهم دست می‌یابند. تأثیر وریستور در محافظت از مدار الکتریکی یا الکترونیکی، به انتخاب مناسب وریستور با توجه به ولتاژ، جریان و اتلاف انرژی بستگی دارد.
وریستورهای اکسید فلز یا MOV به طور معمول از اکسید فلز روی به شکل یک دیسک کوچک ساخته می‌شوند و در مقادیر زیادی برای دامنه‌های ولتاژ خاص در دسترس هستند. ولتاژ نامی MOV یا «ولتاژ وریستور»، ولتاژ دو سر یک وریستور است هنگامی که جریان 1mA از آن عبور می‌کند. این سطح ولتاژ وریستور در اصل همان نقطه‌ای در منحنی مشخصه I-V است که در آن ورسیتور شروع به هدایت جریان می‌کند. همچنین می‌توان وریستورهای اکسید فلز را به طور سری متصل کرد تا ولتاژ کلمپ نامی افزایش یابد.
در حالی که وریستورهای اکسید فلز به طور گسترده در بسیاری از مدارهای قدرت الکترونیکی AC برای محافظت در برابر اضافه ولتاژ گذرا مورد استفاده قرار می‌گیرند، انواع دیگری از قطعات خنثی ساز ولتاژ حالت جامد مانند دیودها، دیودهای زنر و خنثی سازها نیز وجود دارد که همگی می‌توانند در برخی کاربردهای خنثی سازی ولتاژ AC یا DC، همراه با وریستورها استفاده شوند.
