انواع وریستور، دیود های TVS و کاربردهای آنها (قسمت دوم)

By Daniel V 2020-04-11

در قسمت اول از سری آشنایی با وریستور و کاربردهای آن شما با تعریف وریستور، نحوه کار آن، نماد وریستور، نحوه انتخاب ولتاژ وریستور و نمودار جریان عبوری از وریستور آشنا شدید. در این قسمت شما با مدل های مختلف وریستور، برخی از کاربردهای آنها و دیود های TVS آشنا خواهید شد.

متداول ترین نوع از انواع وریستورها، وریستورهای متال اکسید و یا (MOV) هستند که از یک هسته سرامیکی مشتمل از اکسید فلزهای مختلف مانند روی و مقادیر کمی کبالت و منگنز و … تشکیل می شوند.

همان طور که گفته شد یک وریستور تا زمانی که ولتاژ دو سر آن به ولتاژ کلمپ آن نرسد (Clamping Voltage) نارسانا باقی می ماند و جریانی از خود عبور نمی دهد. در نتیجه از وریستورها برای سرکوب ولتاژهای ناخواسته فراتر از ولتاژ کلمپ آنها استفاده می شود. برای مثال می توان از وریستور برای فیلتر کردن برق ورودی سیستم های الکترونیک در لاین فیلتر ها استفاده کرد و یا مانع از افزایش ولتاژ بیش از حد بر روی ماسفت ها و یا ترانزیستورها و سوختن آنها در مدار شد. حتما تا به حال این قطعه را در مدارات منابع تغذیه خطی و یا سوییچینگ و پاورهای کامپیوتر دیده اید.

نماد جدید وریستور که در شماتیک های الکترونیکی رسم می شود:

وریستور ها معمولا به دو دلیل آسیب می بینند:

زمانی که انرژی زیادی در وریستور تبدیل به گرما می شود و وریستور شروع به گداخته شدن و دود کردن می کند و در نهایت منفجر می شود. برای مثال زمانی که رعد و برق به دستگاه شما و یا سیم های برق برخورد می کند و یا بار الکتریکی روی دست شما به صورت قوس الکتریکی به روی دستگاه منتقل می شود یا نوسانات برق شهر، ESD: Electro Static Discharge و دلایل مختلف دیگر. در اکثر این موارد انرژی یک پالس گذرا از نهایت انرژی که وریستور برای مدت معینی می تواند تحمل کند بیشتر است. زمان این پالس معمولا چیزی در حدود ۸ تا ۲۰ میکروثانیه است. این مقدار معمولا در دیتاشیت وریستورهای در قسمت Absolute Maximum Ratings ذکر می شود. در این موارد می توان با انتخاب یک وریستور با توان بالاتر و یا موازی کردن چند وریستور با هم مشکل را برطرف کرد.
تخریب تدریجی وریستور به مرور زمان بخاطر گرما، جریان های گذرای مکرر، تغییرات شیمیایی درون وریستور و دلایل دیگر. در این موارد ظرفیت وریستور به مرور زمان کم و کمتر می شود در حالی که ظاهر آن بدون مشکل و سالم است ولی دیگر از مدار و قطعات شما محافظت نمی کند و در نهایت وریستور اتصال کوتاه شده و یا دیگر عمل نمی کند.

عامل مهمی که در طول عمر مفید وریستورهای موئر است، درجه بندی انرژی آن به ژول است. یکی از مشخصات مهم در انتخاب وریستور ها سایز آنهاست که معمولا طول قطر وریستور ها به عنوان یکی از مشخصه های وریستور عنوان می شود. برای مثال: وریستور ۳۹۰ ولت ۱۲ میلیمتر. قطر وریستور یا بطور کل سایز آن ارتباط تنگاتنگی با حداکثر میزان انرژی قابل دفع آن در وریستور های متال اکسید دارد.

زمان فعال شدن وریستور پس از افزایش ناگهانی ولتاژ و یا Spike از دیگر مشخصه های وریستور است. این مقدار در وریستور های متال اکسید در رنج میکرو ثانیه است. در تجهیزات الکترونیک حساس تر مانند تجهیزات پزشکی و مخابراتی که نیاز به محافظت بیشتر، دفع انرژی بالاتر و زمان پاسخ پایین تر است از انوع دیگری از وریستور ها مانند GDT:Gas Discharge Tube و یا وریستورهای گازی استفاده می شود. همچنین می توان از دیود های TVS استفاده کرد که کارکرد مشابهی دارند ولی زمان فعال شدنشان در رنج نانو ثانیه است.

وریستورهای گازی از یک لوله شیشه ای کوچک و دو الکترود در دوطرف آن تشکیل شده اند و مخلوطی از گازهای مختلف در بین دو الکترود موجود است. با افزایش ولتاژ دو سر آن و رسیدن ولتاژ به ولتاژ کلمپ، گاز درون محفظه یونیزه و ملتحب شده و جریان از آن عبور می کند. وریستور های گازی و یا GDT ها زمان پاسخ بالاتری نسبت به وریستورهای متال اکسید دارند ولی بعلت دمای پایین تر معمولا توانایی دفع انرژی بیشتری نسبت به وریستورهای متال اکسید دارند. ولتاژ کلمپ آنها نیز نسبت به وریستورهای متال اکسید بالاتر است. از این نوع وریستور برای محافظت در مقابل رعدوبرق استفاده می شود.

دیودهای TVS نوعی دیود زنر با توان بالاتر و قابیلت دفع انرژی بالاتر هستند که جایگزین وریستورهای metal oxide می شوند. دیود TVS مخفف Transient voltage suppression می باشد و به آنها Transil نیز گفته می شود. این دیود ها سریع ترین نرخ پاسخ به voltage spike در مدارات الکترونیک را دارا هستند ولی قیمت آنها نیز در مقایسه با وریستورهای متال اکسید بالاتر است. بعضی از دیودهای TVS توانایی فعال شدن در محدوده زمان پیکوثانیه را دارا هستند. انرژی قابل دفع آنها و همچنین ولتاژ کلمپ آنها نیز در مقایسه با وریستورهای متال اکسید کمتر است اما اگر جریان عبوری از آنها در محدوده کارکرد آنها بالاتر نرود، طول عمر بالاتری نسبت به دیگر وریستورها دارند. برخی دیود های Transil یا Transzorb پلاریته ندارند و از هر دو طرف قابلیت عبور جریان را دارند. دیود های TVS معمولا در مدارات High Speed و مخابراتی که سرعت بالا و توان پایینی دارند مورد استفاده قرار می گیرند. از آنها می توان به عنوان کلمپ برای محافظت از قطعات حساس مانند میکروکنترلرها و ماسفت و ترانزیستورها استفاده کرد. برای پایین آمدن خاصیت خازنی آنها نیز می توان یک دیود معمولی را با آنها سری کرد. از نمونه متداول این دیود ها می توان به p6ke، p4ke و p1.5ke از شرکت littlefuse اشاره کرد. در سری های جدید مادربرد های گیگابایت نیز از این نوع دیود برای محافظت از قسمت های حساس برد مانند خروجی های USB استفاده می شود.

نکته قابل توجه در هنگام انتخاب ولتاژ وریستور دقت در متناوب و یا مستقیم بودن ولتاژ است. وریستورها دارای ولتاژ AC و DC متفاوتی هستند که در دیتاشیت آنها ذکر شده است. همچنین وریستور های مانند دیود ها و دیگر نیمه رسانا ها دارای یک خاصیت خازنی هستند. این مقدار در وریستورهایی با قطر ۷ تا ۲۰ میلیمتر چیزی در حدود ۱۰۰ الی ۲۵۰۰ پیکوفاراد است. وریستورهایی به خاصیت خازنی زیر یک پیکوفاراد نیز در پکیج smd برای محافظت تجهیزات میکروالکترونیک مانند گوشی های موبایل موجود است ولی این وریستورهای کوچک توانایی عبور جریان پایینی دارند.

یک نوع دیگر از وریستورها، وریستورهای مولتی لایر MLV:Multi Layer Varistor یا چند لایه هستند. این وریستورها از تخلیه الکترواستاتیکی محافظت می کنند و انرژی گذرا از آنها در محدوده متوسط و پایین است و برای مدارهایی با محدوده ولتاژ کاری ۰تا۱۲۰ ولت مناسب هستند. حداکثر جریان گذرا از آنها بصورت لحظه ای ۲۰ تا ۵۰۰ آمپر است و درجه بندی انرژی آنها بین ۰٫۰۵ تا ۲٫۵ ژول است.

برخی از نمونه ها و موارد کاربرد:

محدودیت های وریستورها:

وریستورها قادر به محافظت از قطعات شما برای در مقابل افزایش ولتاژ ناخواسته به مدت طولانی نیستند و معمولا خود آسیب می بینند. آین آسیب معمولا بصورت اتصال کوتاه در وریستور نمایان می شود. همچنین احتمال آتش سوزی بعلت افزایش دما و گداخته شدن وریستور وجود دارد. برای همین از وریستورها برای محافظت از مدار در مقابل اتصال به ولتاژ غیر مجاز و خارج از محدوده کارکرد استفاده نمی شود. شما می توانید از UPS و Stablizer برای کاهش نوسان های برق شهر و رگولاتورهای خطی یا سوئیچینگ برای تثبیت ولتاژ مدارتان استفاده کنید.

وریستور ها قابلیت محافظت از مدار شما در مقابل inrush current یا جریان بالای ورودی در هنگام شروع به کار مدار شما را ندارند. وریستور های معمولا بصورت موازی در مدار و در کنار قطعات شما بسته می شوند و برای این کار معمولا از مقاومت های NTC با اهم پایین و توان بالا و بصورت سری استفاده می شود.

وریستور های یک راه حل ساده و ارزان قیمت برای محافظت از مدارتان در برابر افزایش ولتاژ ناگهانی، نوسانات، نویز و هارمونیک های سوئیچینگ هستند. انتخاب نوع مناسب وریستور با توجه به محل استفاده و دقت به پارامتر های مختلف آن مانند ولتاژ، درجه بندی انرژی، زمان پاسخ و خاصیت خازنی آن حائز اهمیت است.

راه حل های دیگری نیز برای مقابله با ولتاژها و جریان های ناخواسته و نواسانات وجود دارد که در آینده به آنها پرداخته خواهد شد. برخی از این راه حل ها عبارتند از: