وریستور چیست؟ تعریف، عملکرد و کاربرد در الکترونیک

نقش وریستور در آیفون تصویری

وریستور (MOV) یکی از قطعات حفاظتی مهم در مدار آیفون تصویری است که وظیفه اصلی آن محافظت از برد الکترونیکی در برابر نوسانات و اضافه‌ ولتاژهای لحظه‌ ای می‌ باشد. این قطعه معمولاً به‌ صورت موازی در مسیر ورودی تغذیه یا خطوط حساس مدار قرار می‌ گیرد و دارای رفتار غیرخطی ولتاژ–جریان است.
در شرایط عادی و ولتاژ نامی، وریستور مقاومت بالایی دارد و تأثیری در عملکرد مدار ایجاد نمی‌ کند. اما در صورت بروز نوسان شدید ولتاژ، شوک‌ های الکتریکی ناشی از قطع و وصل برق، یا القائات لحظه‌ ای، وریستور به‌ سرعت وارد حالت هدایتی شده و با کلمپ کردن ولتاژ، از انتقال ولتاژ مخرب به سایر قطعات جلوگیری می‌ کند. این عملکرد باعث حفاظت از بخش‌ های حساس آیفون تصویری مانند منبع تغذیه، رگولاتورها، آی‌ سی‌ های کنترلی، مدار تصویر و مدار صوت می‌ شود. در صورت خرابی یا تضعیف وریستور، احتمال آسیب‌ دیدگی برد اصلی، سوختن قطعات بخش تغذیه و بروز مشکلاتی مانند عدم نمایش تصویر و ضعیف شدن صدای زنگ آیفون تصویری به‌ طور چشمگیری افزایش می‌ یابد؛ به همین دلیل، بررسی سلامت وریستور در فرآیند عیب‌ یابی و تعمیر آیفون تصویری از اهمیت بالایی برخوردار است.

ساختار وریستور

- بستر سرامیکی: بخش اصلی وریستور از دانه‌ های ریز اکسید روی (ZnO) تشکیل شده است که ساختار نیمه هادی سرامیکی را می‌ سازند.
- مرزهای بین دانه‌ ها: این اتصالات بین دانه‌ ها مسئول رفتار غیرخطی وریستور هستند؛ در ولتاژ پایین مقاومت بالایی دارند و با افزایش ولتاژ، مقاومت آن‌ ها کاهش یافته و جریان اضافی را عبور می‌ دهند.
- الکترودها: دو الکترود فلزی در دو طرف بستر سرامیکی تعبیه شده‌ اند تا قطعه به مدار متصل شود.
- پوشش محافظ: معمولاً از رزین یا پلاستیک مقاوم به حرارت و رطوبت ساخته می‌ شود تا وریستور را در برابر شرایط محیطی محافظت کرده و دوام آن را افزایش دهد.

وریستور چگونه کار می کند؟

عملکرد این قطعه بر اساس ویژگی مقاومت غیر خطی آن است که جریان عبوری را نسبت به ولتاژ نامی به شکل غیر خطی تنظیم می ‌کند. در شرایط عادی، جریان کمی از آن عبور می‌ کند و عملاً هیچ تاثیری بر عملکرد مدار ندارد، اما وقتی ولتاژ گذرا یا افزایش ناگهانی ولتاژ رخ می ‌دهد، مقاومت به سرعت کاهش یافته و جریان اضافی را عبور می‌ دهد تا ولتاژ مدار محدود شود. 
این فرآیند باعث حفاظت مدار و جلوگیری از آسیب به قطعات حساس می‌ شود. نوع MOV و نوع اکسید فلزی این عملکرد را با سرعت و دقت متفاوت انجام می ‌دهند، به گونه‌ ای که انرژی گذرا را به گرما تبدیل کرده و از مدار دفع می ‌کنند. کنترل دقیق این جریان و محدود کردن ولتاژ، طول عمر تجهیزات را افزایش می‌ دهد و ایمنی دستگاه‌ های الکترونیکی را تضمین می ‌کند.

نماد وریستور در مدارهای الکتریکی

نماد وریستور در مدارهای الکتریکی به صورت یک خط افقی با دو خط مورب روی آن نمایش داده می شود که نشان دهنده خاصیت غیرخطی مقاومت وریستور است. این نماد معمولا به شکل یک مستطیل یا بیضی با دو خط مورب داخل آن نشان داده می شود و بیان می کند که قطعه در ولتاژ پایین مقاومت زیاد و در ولتاژ بالا مقاومت کم دارد.
در مدارها، وریستورهای MOV (Metal Oxide Varistor) که رایج ترین نوع هستند نیز با همین نماد نمایش داده می شوند و گاهی با عبارت MOV در کنار آن مشخص می شوند. وریستور یک قطعه غیر قطبی است و می تواند جریان را در هر دو جهت عبور دهد، بنابراین جهت اتصال آن در مدار اهمیتی ندارد.
نماد ساده وریستور را می توان به صورت «—|/|—» نشان داد و معمولا در مدارهای AC و DC به همین شکل استفاده می شود. وریستور معمولا به صورت موازی با بار یا بین فاز و زمین قرار می گیرد تا از تجهیزات در برابر افزایش ناگهانی ولتاژ محافظت کند.

انواع وریستور از نظر کاربرد

- وریستور اکسید فلزی: این نوع از ذرات اکسید فلز فشرده ساخته شده و دارای مقاومت غیر خطی بالا است. سرعت واکنش آن به ولتاژ ناگهانی بالا بوده و جریان گذرا را به گرما تبدیل می ‌کند، که کاربرد گسترده‌ ای در حفاظت مدار دارد.
- وریستور کاربید سیلیکون: این نوع توانایی تحمل ولتاژ و جریان بالا را دارد و برای کاربردهای صنعتی و خطوط انتقال برق مناسب است. مقاومت غیر خطی آن باعث محدود کردن افزایش ناگهانی ولتاژ می ‌شود.
- وریستور پلیمر: ساختار آن از مواد نیمه هادی پلیمری است و انعطاف ‌پذیری بالا دارد. برای مدارهای حساس و حفاظت تجهیزات الکترونیکی دقیق استفاده می‌ شود.

- وریستور گازی: با استفاده از گاز یونیزه شونده عمل می‌ کند و در برابر ولتاژ گذرا به سرعت تخلیه انرژی می‌ کند. مناسب برای حفاظت صنعتی و خطوط ارتباطی است.
- وریستور چند لایه: ساختاری لایه ‌ای دارد و برای مدارهای حساس مانند حفاظت دستگاه‌ های الکترونیکی کوچک استفاده می ‌شود. جریان پالس و انرژی گذرا را به شکل دقیق محدود می ‌کند و طول عمر طولانی دارد.

دسته بندی وریستور از نظر شکل ظاهری

- وریستور دیسکی (صفحه‌ ای): این نوع به شکل دیسک نازک ساخته می ‌شود و در مدارهای صنعتی و خانگی برای حفاظت مدار از ولتاژ ناگهانی کاربرد دارد. نصب آن ساده است و جریان گذرا را به سرعت محدود می ‌کند.
- وریستور بلوکی: ساختاری مکعبی دارد و برای مدارهای با توان بالا طراحی شده است. ظرفیت تحمل جریان و انرژی گذرا در آن بیشتر است و در سیستم ‌های صنعتی استفاده می‌ شود.
- وریستور شعاعی: دارای سیم‌ های اتصال از یک طرف است و در مدارهای با فضای محدود کاربرد دارد. نصب آسان و عملکرد سریع آن باعث شده در تجهیزات الکترونیکی کوچک محبوب باشد.
- وریستور خطی یا محوری: به شکل استوانه ‌ای طولی ساخته می ‌شود و جریان از دو سر آن عبور می ‌کند. برای مدارهای با مسیر خطی و نیاز به نصب راحت مناسب است.
- وریستور سطحی  (SMD): برای نصب بر روی برد های مدار چاپی طراحی شده و اندازه کوچک آن امکان استفاده در تجهیزات الکترونیکی پیشرفته را فراهم می ‌کند. جریان و ولتاژ گذرا را به شکل دقیق کنترل می‌ کند و حفاظت دستگاه‌ ها را تضمین می ‌کند.

مقایسه انواع وریستور و کاربرد هر کدام

مشخصات فنی وریستور

- ولتاژ نامی و ولتاژ کاری: ولتاژ نامی مشخص می‌ کند که قطعه در شرایط عادی چه میزان ولتاژ را می ‌تواند تحمل کند، در حالی که ولتاژ کاری محدوده عملیاتی ایمن برای استفاده در مدار را نشان می ‌دهد و تضمین می ‌کند که جریان و ولتاژ عبوری از قطعه موجب خرابی نشود.
- ولتاژ شکست و ولتاژ کلمپ: ولتاژ شکست نقطه‌ ای است که مقاومت غیر خطی به شدت کاهش یافته و جریان اضافی عبور می‌ کند، و ولتاژ کلمپ بیشترین مقدار ولتاژ عبوری از مدار را هنگام جریان گذرا محدود می ‌کند تا تجهیزات حساس آسیب نبینند.
- جریان پالس و جریان ماکزیمم: جریان پالس بیانگر میزان انرژی کوتاه مدتی است که قطعه می‌ تواند بدون آسیب تحمل کند و جریان ماکزیمم بالاترین جریان لحظه‌ ای مجاز است که عملکرد ایمن مدار را تضمین می ‌کند.

- جریان گذرا: این مشخصه توانایی جذب جریان ناگهانی و جلوگیری از صدمه به مدار و تجهیزات الکترونیکی را نشان می ‌دهد.
- ظرفیت انرژی قابل جذب و توان: میزان انرژی که قطعه می‌ تواند بدون خرابی دفع کند، و توان لحظه ‌ای که می ‌تواند تحمل کند، از عوامل مهم در انتخاب مناسب برای مدار هستند.
- زمان پاسخ و سرعت عملکرد: مدت زمان واکنش به ولتاژ ناگهانی اهمیت بالایی دارد، زیرا هرچه سریع ‌تر انرژی گذرا محدود شود، حفاظت مدار کامل ‌تر خواهد بود.
- نوع و پکیج: ساختار و بسته ‌بندی شامل دیسکی، بلوکی، محوری و SMD است که بر نحوه نصب، کاربرد و حفاظت مدار تاثیر مستقیم دارد و انتخاب مناسب آن طول عمر و ایمنی تجهیزات را تضمین می ‌کند.

نحوه خواندن مشخصات وریستور

خواندن مشخصات این قطعه از روی بدنه آن به مهندسان کمک می ‌کند تا ولتاژ نامی، جریان مجاز و نوع آن را به سرعت شناسایی کنند. 
روی بدنه معمولاً کد هایی چاپ شده است که ولتاژ کاری و ولتاژ شکست را مشخص می ‌کنند و با توجه به این کد ها می ‌توان محدوده عملیاتی قطعه را تعیین کرد. 
جریان پالس و جریان ماکزیمم نیز گاهی به صورت اعداد یا حروف اختصاری نشان داده می ‌شود تا میزان انرژی قابل تحمل قطعه مشخص شود. 
اطلاعاتی مانند نوع ساختار، مانند MOV، چند لایه یا گازی و نوع پکیج نیز روی بدنه یا در کاتالوگ ارائه می‌ شود. با تفسیر صحیح این مشخصات می‌ توان قطعه مناسب را برای حفاظت مدار و تجهیزات الکترونیکی انتخاب کرد و از نصب نادرست یا خرابی احتمالی جلوگیری نمود.

مثالی از کد روی یک وریستور

- کد 10D471K: در این کد، بخش اول یعنی 10D نشان ‌دهنده اندازه و شکل فیزیکی قطعه است که ۱۰ میلی‌ متر قطر دیسک را مشخص می ‌کند و حرف D بیانگر نوع بسته‌ بندی یا ساختار دیسکی است. بخش دوم یعنی 471 مقدار ولتاژ کاری یا ولتاژ نامی را مشخص می ‌کند؛ در این حالت، 471 به معنای 470 ولت است که از رابطه عدد اول و دوم با صفر های بعدی به دست می‌ آید. 
حرف K در انتهای کد نشان ‌دهنده تلرانس ولتاژ است که در این مثال ±۱۰ درصد می ‌باشد. با تفسیر این کد، می‌ توان دریافت که این قطعه برای حفاظت مدار در برابر ولتاژ ناگهانی تا 470 ولت مناسب است.

کاربردهای وریستور

- محافظت از مدار های الکتریکی و الکترونیکی: این قطعه با محدود کردن ولتاژ ناگهانی و جذب انرژی گذرا از آسیب به مدار ها جلوگیری می‌ کند و ایمنی تجهیزات را تضمین می‌ نماید.
- استفاده در منابع تغذیه و تجهیزات حساس: در منابع تغذیه و دستگاه‌ های دقیق، مانند کامپیوترها و تجهیزات مخابراتی، نصب آن باعث کنترل جریان پالس و حفاظت از قطعات حساس می‌ شود.
- کاربرد در مدارهای روشنایی و صنعتی: در سیستم‌ های روشنایی و تجهیزات صنعتی، مقاومت غیر خطی آن از آسیب ناشی از ولتاژ گذرا و نوسانات برق جلوگیری می ‌کند و طول عمر تجهیزات را افزایش می ‌دهد.
- کاربرد در بردهای خانگی: در بردهای الکترونیکی خانگی مانند تلویزیون، یخچال و دستگاه‌ های صوتی، استفاده از آن حفاظت مدار و جلوگیری از سوختن قطعات الکترونیکی در برابر سرج ارست و نوسانات شبکه برق را فراهم می ‌آورد.

نحوه انتخاب و خرید وریستور مناسب

برای انتخاب و خرید یک قطعه مناسب، ابتدا باید به ولتاژ کاری و نامی آن توجه کرد تا قطعه بتواند در شرایط عادی و گذرا عملکرد صحیح داشته باشد. توان قطعه نیز اهمیت بالایی دارد و باید با میزان انرژی و جریان گذرای مدار هماهنگ باشد تا از خرابی و آسیب جلوگیری شود. نوع کاربرد نیز تعیین ‌کننده ساختار و پکیج مناسب است؛ به عنوان مثال برای برد های حساس SMD و برای تجهیزات صنعتی MOV یا چند لایه مناسب است. 
از اشتباهات رایج در انتخاب می ‌توان به استفاده از قطعه با ولتاژ نامی پایین‌ تر از ولتاژ مدار، نادیده گرفتن ظرفیت انرژی قابل جذب و انتخاب نوع نادرست بسته‌ بندی اشاره کرد. بررسی دقیق مشخصات و مشاوره با تامین ‌کننده معتبر طول عمر و ایمنی تجهیزات را تضمین می‌ کند. 

مزایا و محدودیت های وریستور

- مزایای استفاده از وریستور: این قطعه توانایی جذب سریع ولتاژ ناگهانی و کنترل جریان گذرا را دارد و از آسیب به حفاظت مدار و تجهیزات الکترونیکی جلوگیری می‌ کند. نصب آسان، قیمت مناسب و کاربرد گسترده در مدار های صنعتی، خانگی و منابع تغذیه حساس از مزایای مهم آن است. استفاده صحیح باعث افزایش عمر تجهیزات و کاهش خرابی ناشی از نوسان ولتاژ می‌ شود. تنوع ساختار مانند MOV، چند لایه و گازی انتخاب مناسب برای شرایط مختلف ولتاژ و جریان را ممکن می ‌سازد.
- محدودیت ها و نکات ایمنی: این قطعه توان تحمل انرژی گذرای بسیار بالا یا مداوم را ندارد و انتخاب نادرست می ‌تواند باعث خرابی شود. رعایت ولتاژ نامی، جریان مجاز و ظرفیت انرژی برای حفظ ایمنی و عملکرد صحیح ضروری است.

نشانه های خرابی وریستور

- تغییر رنگ: یکی از اولین نشانه‌ های خرابی این قطعه تغییر رنگ بدنه آن است که معمولاً ناشی از افزایش حرارت یا عبور جریان گذرای بیش از حد می‌ باشد و نشان‌ دهنده کاهش کارایی در حفاظت مدار است.
- ترک خوردگی بدنه: حرارت بالا یا شوک الکتریکی می ‌تواند باعث ایجاد ترک‌ های ظاهری در بدنه شود. این مشکل علاوه بر ظاهر، عملکرد مقاومت غیر خطی را نیز تحت تأثیر قرار می‌ دهد.
- کاهش مقاومت: با گذشت زمان یا تحت تأثیر ولتاژ ناگهانی مکرر، مقاومت قطعه کاهش می ‌یابد و دیگر قادر به محدود کردن جریان گذرا نیست، که ممکن است موجب آسیب به مدار شود.
- داغ شدن بیش از حد: گرمای غیر عادی هنگام عملکرد، نشانه عبور جریان بیش از ظرفیت قطعه است و می ‌تواند منجر به خرابی کامل یا سوختن آن شود.
- عدم عملکرد صحیح مدار: اگر مدار نتواند در برابر ولتاژ ناگهانی محافظت کند یا قطعات حساس آسیب ببینند، این وضعیت نشان‌ دهنده خرابی و نیاز به تعویض قطعه است. شناسایی به موقع این نشانه ‌ها ایمنی تجهیزات را تضمین می ‌کند.

روش های تست و بررسی وریستور

- تست وریستور با مولتی متر: یکی از ساده ترین روش ها برای بررسی سلامت قطعه، اندازه گیری مقاومت با مولتی متر است. در حالت سالم، مقدار مقاومت بالا می باشد و هنگام ولتاژ ناگهانی کاهش پیدا می کند. مشاهده مقاومت بسیار کم یا مقدار غیر عادی می تواند نشانه خرابی و کاهش توان حفاظت مدار باشد.
- تست وریستور با منبع تغذیه و مقاومت: با اتصال Varistor به منبع تغذیه متغیر و یک مقاومت سری، امکان بررسی رفتار مقاومت غیر خطی فراهم می شود. تغییر غیر طبیعی در ولتاژ کلمپ یا جریان عبوری نشانه عملکرد نادرست است.
- تست وریستور با دستگاه های تخصصی: این دستگاه ها جریان پالس و ولتاژ شکست را اندازه گیری می کنند و برای تجهیزات صنعتی و مدارهای حساس کاربرد دارند.

سوالات متداول

1- آیا وریستور در برابر صاعقه مستقیم محافظت می ‌کند؟
خیر، برای صاعقه مستقیم به تجهیزات حفاظتی خاص نیاز است، و این قطعه بیشتر برای ولتاژ گذرا طراحی شده است.
2- عمر مفید این قطعه چقدر است؟
بسته به جریان گذرا و شرایط محیط، معمولاً بین ۵ تا ۲۰ سال است.
3- آیا می‌توان چند قطعه را موازی کرد؟
بله، برای افزایش ظرفیت جریان گذرا می ‌توان چند قطعه را موازی نصب کرد.
4- آیا وریستور نیاز به نگهداری دارد؟
معمولاً نیاز به نگهداری ندارد، اما بررسی بصری و تست دوره ‌ای توصیه می ‌شود.