مقدمه:

وریستور (Varistor) یک قطعه الکترونیکی پسیو است که مقاومت الکتریکی آن با ولتاژ اعمال شده به آن تغییر می‌کند. نام این قطعه از ترکیب دو کلمه "Variable Resistor" به معنای "مقاومت متغیر" گرفته شده است و به طور خاص به مقاومتی که وابسته به ولتاژ است اشاره دارد VDR (Voltage Dependent Resistor ) نامیده می شود.

در دنیای امروز که وابستگی ما به ابزارهای الکترونیکی لحظه به لحظه بیشتر می‌شود، لزوم حفاظت از این تجهیزات در برابر اختلالات ولتاژ بیش از پیش احساس می‌گردد. نوسانات ناگهانی ولتاژ، که می‌تواند از منابع مختلفی نظیر صاعقه یا سوئیچینگ‌های شبکه برق نشات گیرد، تهدیدی جدی برای یکپارچگی و عملکرد مدارهای الکترونیکی محسوب می‌شود.

در این راستا، وریستور به عنوان یک عنصر حفاظتی غیرخطی، نقشی اساسی در محدودسازی و جذب ولتاژهای گذرا ایفا می‌نماید. عملکرد این قطعه بر پایه تغییر مقاومت خود بر اثر ولتاژ اعمالی استوار است به گونه‌ای که با ایجاد یک مسیر جریان با کم‌مقاومت، مانع از رسیدن ولتاژهای آسیب‌زا به اجزای حساس مدار می‌شود.

وریستور محافظ هوشمند مدار در برابر نوسانات برق:

وریستور، این قطعه کوچک و حیاتی، اغلب از لحاظ ظاهری شباهت زیادی به یک خازن سرامیکی دارد. جایگاه استراتژیک آن در مدار، معمولاً در ابتدای ورودی مدار و بلافاصله پس از فیوز است. این المان به صورت موازی بین پایه فاز و نول (یا فاز و زمین/نول و زمین، بسته به نوع مدار و نوع محافظت) قرار می‌گیرد.

در شرایط عادی عملکرد مدار، وریستور مشابه یک عایق الکتریکی ایده‌آل عمل می‌کند؛ مقاومتی فوق‌العاده بالا دارد و عملاً هیچ جریانی از آن عبور نمی‌کند، گویی که وجود خارجی ندارد.

اما سناریو زمانی تغییر می‌کند که یک افزایش ناگهانی و ناخواسته ولتاژ (surge) در مدار رخ دهد. در چنین لحظه‌ای، وریستور از حالت عایق خارج شده و به سرعت به یک رسانا تبدیل می‌شود. با تبدیل شدن به رسانا، مقاومت داخلیش به طرز چشمگیری کاهش می‌یابد.

بر اساس قانون اهم و تمایل جریان الکتریکی به عبور از کوتاه‌ترین و کم‌مقاومت‌ترین مسیر، جریان اضافی ناشی از ولتاژ بالا، مسیر ورودی به مدار اصلی را رها کرده و به سمت وریستور منحرف می‌شود. در اینجا است که این قطعه مانند یک مصرف‌کننده انرژی قدرتمند عمل می‌کند و انرژی الکتریکی اضافی را جذب کرده و آن را به حرارت تبدیل و دفع می‌نماید.

این فرآیند جذب انرژی و تبدیل آن به گرما، اگرچه برای محافظت از قطعات حساس مدار ضروری است، اما می‌تواند منجر به افزایش شدید دمای خود وریستور شود. در مواجهه با نوسانات بسیار شدید و یا دفعات مکرر نوسانات، این گرمای بیش از حد می‌تواند به آسیب فیزیکیش منجر شود که اغلب به صورت ترکیدگی یا سوختگی قابل مشاهده روی آن نمود پیدا می‌کند. به همین دلیل است که در بسیاری از بردهای الکترونیکی که دچار خرابی ناشی از نوسانات برق شده‌اند، این قطعه اولین نشانه واضح مشکل است.

به عبارت دیگر، وریستور با فدا کردن خود، جان قطعات گران‌قیمت‌تر و حساس‌تر مدار را نجات می‌دهد و از آسیب‌های گسترده‌تر و پرهزینه‌تر جلوگیری می‌کند .

انواع وریستورها :

1- وریستورهای اکسید فلز (Metal Oxide Varistors - MOVs):

توضیح: رایج‌ترین و پرکاربردترین نوع وریستوراست . این قطعه از یک توده سرامیکی متشکل از دانه‌های اکسید فلز (مانند اکسید روی) تشکیل شده‌اند که بین دو الکترود فلزی فشرده شده‌اند.

عملکرد: در ولتاژهای پایین مقاومت بسیار بالایی دارند و جریان ناچیزی از آن‌ها عبور می‌کند. اما با افزایش ولتاژ از حد آستانه (ولتاژ شکست)، مقاومت آن‌ها به شدت کاهش می‌یابد و جریان اضافی را منحرف می‌کنند.

کاربرد: طیف وسیعی از کاربردها از لوازم خانگی و تجهیزات کامپیوتری تا حفاظت در برابر صاعقه در تابلوهای برق.

ویژگی بارز: توانایی جذب انرژی بالا و زمان پاسخ سریع (نانوثانیه).

2- وریستورهای کاربید سیلیکون (Silicon Carbide Varistors - SiC):

توضیح: این نوع وریستورها قدیمی‌تر از MOVs هستند و از ترکیب کاربید سیلیکون و یک ماده بایندر سرامیکی ساخته می‌شوند.

عملکرد: ویژگی ولتاژ-جریان آن‌ها نیز غیرخطی است، اما نسبت به MOVs دارای ولتاژ گیره بالاتر و جریان نشتی بیشتری در ولتاژهای عادی هستند.

کاربرد: عمدتاً در کاربردهای ولتاژ بالا و جریان‌های بسیار زیاد مانند سیستم‌های قدرت و حفاظت از خطوط انتقال، استفاده می‌شدند اما امروزه تا حد زیادی با MOVs و سایر محدودکننده‌های مدرن جایگزین شده‌اند.

ویژگی بارز: مقاومت بالا در برابر انرژی‌های بسیار زیاد.

3- وریستورهای لایه‌ای چندگانه (Multilayer Varistors - MLVs):

توضیح: این قطعه از لایه‌های نازکی از مواد وریستور (مشابه( MOVs که به صورت متناوب با لایه‌های الکترود قرار گرفته‌اند، ساخته می‌شوند. این ساختار شبیه به خازن‌های چندلایه سرامیکی است.

عملکرد: طراحی لایه‌ای به آن‌ها اجازه می‌دهد تا در ابعاد بسیار کوچک (SMD - Surface Mount Device) ساخته شوند. آن‌ها دارای ظرفیت خازنی پایین‌تری نسبت به MOVs دیسکی بزرگتر هستند.

کاربرد: ایده‌آل برای حفاظت از مدارهای حساس در کاربردهای با فرکانس بالا و فضاهای محدود، مانند گوشی‌های موبایل، لپ‌تاپ‌ها، مدارهای رابط داده USB ،HDMI و قطعات SMD .

ویژگی بارز: ابعاد بسیار کوچک، ظرفیت خازنی کم، مناسب برای فرکانس‌های بالا.

4- وریستورهای دیودی (Diode Varistors / TVS Diodes) -( با کمی تفاوت):

توضیح: اگرچه از نظر فنی وریستور محسوب نمی‌شوند (زیرا بر پایه اکسید فلز نیستند)، اما دیودهای سرکوب‌کننده ولتاژ گذرا (TVS Diodes - Transient Voltage Suppressor Diodes) عملکردی بسیار مشابه با این قطعه دارند و اغلب به عنوان جایگزین یا مکمل آن‌ها در کاربردهای خاص استفاده می‌شوند.

عملکرد: این دیودها برای هدایت جریان در لحظه رسیدن ولتاژ به یک آستانه مشخص (ولتاژ شکست زنر) طراحی شده‌اند و ولتاژ را در یک سطح ثابت گیره می‌کنند.

کاربرد: عمدتاً برای حفاظت از خطوط داده با سرعت بالا، مدارهای حسگر و هر جا که نیاز به حفاظت دقیق ولتاژ گیره و زمان پاسخ بسیار سریع (پیکوثانیه) باشد.

ویژگی بارز: زمان پاسخ فوق‌العاده سریع، ولتاژ گیره بسیار دقیق و پایدار، ظرفیت خازنی بسیار پایین (مخصوصاً در انواع داده).

در ادامه یه خلاصه ای از تفاوت این مدل های ارایه دادم که به شرح زیر می باشد :

1. MOVs (رایج‌ترین): جذب انرژی بالا، زمان پاسخ نانوثانیه، مناسب برای حفاظت عمومی برق.
2. SiC: قدیمی‌تر، ظرفیت انرژی بسیار بالا، جریان نشتی بیشتر، کاربردهای ولتاژ بالا (تا حد زیادی منسوخ شده).
3. MLVs: کوچک، ظرفیت خازنی کم، مناسب برای مدارهای SMD و فرکانس بالا.
4. TVS Diodes (شبیه وریستور): زمان پاسخ بسیار سریع (پیکوثانیه)، ولتاژ گیره دقیق، ظرفیت خازنی بسیار پایین، مناسب برای حفاظت از داده و سیگنال.

هر یک از این انواع بر اساس نیازهای خاص مدار (میزان انرژی شوک، سرعت پاسخ، اندازه و فرکانس کاری) انتخاب می‌شوند

مشخصات فنی وریستور:

برای انتخاب و استفاده صحیح از این قطعه باید با مشخصات فنی کلیدی آن آشنا باشید. این مشخصات در دیتاشیت (Data Sheet) هر وریستور قید شده‌اند و مهندسین و طراحان مدار بر اساس آن‌ها نوع مناسب را انتخاب می‌کنند. در ادامه به مهم‌ترین این مشخصات می‌پردازیم:

1- ولتاژ وریستور (Varistor Voltage / Breakdown Voltage / V1mA)

• تعریف: این مهم‌ترین پارامتر این قطعه است و به ولتاژی اشاره دارد که در آن شروع به هدایت جریان قابل توجهی (معمولاً 1 میلی‌آمپر یا 0.1 میلی‌آمپر برای وریستورهای کوچک‌تر) می‌کند.
• اهمیت: این ولتاژ نشان‌دهنده نقطه آستانه‌ای است که این قطعه فعال شده و از مدار محافظت می‌کند. برای انتخاب صحیح، ولتاژش باید کمی بالاتر از حداکثر ولتاژ کاری نرمال ACrms یا DC مدار باشد. (مثلاً برای مدار 220 ولت AC، وریستور با ولتاژ نامی 270 یا 300 ولت AC مناسب است. )

2- حداکثر ولتاژ کاری پیوسته (Maximum Continuous Operating Voltage - MCOV / Vmax)

• تعریف: حداکثر ولتاژ ACrms یا DC که وریستور می‌تواند به طور مداوم و بدون تخریب یا کاهش عمر مفید تحمل کند. این ولتاژ باید همیشه بالاتر از حداکثر ولتاژ نرمال مدار باشد.
• اهمیت: تضمین می‌کند که وریستور در شرایط عادی مدار، در حالت مقاومتی بالا باقی بماند و دچار فرسودگی زودرس نشود.

3- ولتاژ گیره (Clamping Voltage - Vc)

• تعریف: حداکثر ولتاژی که در دو سر وریستور (و در نتیجه مدار محافظت شده) ظاهر می‌شود، زمانی که یک جریان شوک (surge current) با شکل موج و پیک مشخص از آن عبور می‌کند .
• اهمیت: این ولتاژ، میزان واقعی حفاظتی است که وریستور ارائه می‌دهد. ولتاژ گیره باید کمتر از حداکثر ولتاژ قابل تحمل (Absolute Maximum Rating) قطعات حساس مدار باشد. هرچه این ولتاژ کمتر باشد، حفاظت بهتری ارائه می‌شود.

4- حداکثر جریان شوک (Peak Pulse Current - Ipk / Imax)

• تعریف: حداکثر جریان پیک یک پالس شوک (با شکل موج و مدت زمان مشخص، مثلاً 8/20 میکروثانیه) که وریستور می‌تواند بدون آسیب دیدن یا تخریب عملکرد، آن را هدایت کند.
• اهمیت: نشان‌دهنده ظرفیت برای جذب انرژی شوک‌های قوی است. باید مطمئن شوید که وریستور انتخابی می‌تواند بزرگترین شوک جریانی که انتظار می‌رود در مدار رخ دهد را تحمل کند.

5- ظرفیت انرژی (Energy Rating - W₀ / Joules)

• تعریف: حداکثر انرژی (بر حسب ژول) که وریستور می‌تواند در یک پالس شوک منفرد بدون آسیب دائمی جذب کند.
• اهمیت: این پارامتر برای حفاظت در برابر شوک‌های با انرژی بالا مانند صاعقه بسیار مهم است. هرچه ظرفیت انرژی بالاتر باشد، وریستور می‌تواند شوک‌های قوی‌تری را دفع کند.

6- جریان نشتی (Leakage Current - Il)

• تعریف: جریانی که در ولتاژ کاری نرمال و زیر ولتاژ شکست، از وریستور عبور می‌کند (زمانی که قرار نیست هدایت کند).
• اهمیت: این جریان باید بسیار کم باشد (در حد میکروآمپر) تا اتلاف توان در مدار به حداقل برسد و بر عملکرد مدار تأثیر منفی نگذارد.

7- زمان پاسخ (Response Time)

• تعریف: مدت زمانی که طول می‌کشد تا وریستور پس از اعمال یک ولتاژ اضافی، مقاومت خود را کاهش داده و شروع به هدایت کند.
• اهمیت: وریستورها زمان پاسخ بسیار سریعی دارند (در حد نانوثانیه). هرچند ممکن است کمی کندتر از دیودهای TVS (Transient Voltage Suppressor) باشند، اما برای بسیاری از کاربردها سرعت آن‌ها کافی است و برای حفاظت در برابر صاعقه بسیار مناسب‌اند.

8- ظرفیت خازنی (Capacitance - C)

• تعریف: ظرفیت خازنی ذاتی وریستور که معمولاً در فرکانس 1 کیلوهرتز و در ولتاژ صفر اندازه‌گیری می‌شود.
• اهمیت: وریستورها دارای ظرفیت خازنی نسبتاً بالایی هستند (معمولاً در حد صدها تا هزاران پیکوفاراد). این پارامتر در مدارهای فرکانس بالا (مثل خطوط دیتا یا مخابراتی) می‌تواند باعث فیلتر شدن سیگنال یا ایجاد تداخل (Crosstalk) شود. برای این کاربردها، معمولاً از مدلی با ظرفیت خازنی پایین‌تر (مانند MLV ها یا دیودهای( TVS استفاده می‌شود.

9- محدوده دمای کاری (Operating Temperature Range)

• تعریف: محدوده‌ای از دما که این قطعه می‌تواند در آن به طور ایمن و با مشخصات تعیین شده کار کند.
• اهمیت: اطمینان از عملکرد صحیح و طول عمر وریستور در شرایط محیطی مختلف.

10- ضریب آلفا (α - Nonlinearity Coefficient)

• تعریف: یک ضریب غیرخطی که میزان تغییر مقاومت وریستور را با تغییر ولتاژ نشان می‌دهد.
• اهمیت: هرچه مقدار α بیشتر باشد، منحنی V−I وریستور "تیزتر" است، به این معنی که این قطعه سریع‌تر از حالت مقاومتی بالا به حالت هدایت‌کننده تغییر می‌کند و حفاظت بهتری ارائه می‌دهد.

نحوه خواندن مشخصات وریستور از روی کدهای آن :

خواندن مشخصاتش از روی کدهایی که روی بدنه آن چاپ شده، یک مهارت مهم برای فعالان حوزه الکترونیک است. این کدها معمولاً به صورت یک رشته عددی و حرفی کوتاه هستند که اطلاعات کلیدی از این قطعه را در خود جای داده‌اند. اگرچه ممکن است تولیدکنندگان مختلف کمی در نحوه کدگذاری تفاوت داشته باشند، اما یک فرمت استاندارد و رایج وجود دارد که اکثر وریستورهای دیسکی شکل (رایج‌ترین نوع MOV) از آن پیروی می‌کنند.

فرمت رایج کدهای وریستور (مثال: D471K10):

بیایید کد D471K10 را به عنوان یک مثال رایج بررسی کنیم:

10 (عدد اول یا دو رقم اول): قطر وریستور

• این عدد معمولاً نشان‌دهنده قطر دیسک وریستور بر حسب میلی‌متر (mm) است.
• در این مثال، "10" به معنای قطر 10 میلی‌متر است.
• سایزهای رایج دیگر شامل 5D (5mm)، 7D (7mm)، 14D (14mm)، 20D (20mm) و ... هستند.
• اهمیت: قطرش معمولاً با ظرفیت جذب انرژی و حداکثر جریان شوک آن ارتباط مستقیم دارد، هر چه قطر بزرگ تر، معمولاً ظرفیت انرژی و جریان بالاتری دارند.

D (حرف بعد از قطر): نوع وریستور / شکل پکیج

• این حرف معمولاً نشان‌دهنده نوع ساختار یا شکل فیزیکی وریستور است.
• D (Disk): رایج‌ترین نوع است و به وریستورهای دیسکی شکل (که دو پایه از دو طرف آن خارج شده) اشاره دارد.

گاهی اوقات ممکن است حروف دیگری مانند

K (Standard Type)

E (High Power Type)

R (برای وریستورهای بزرگتر مثل 34mm)

نیز دیده شوند، که می‌توانند به نوع یا سری خاص تولیدکننده اشاره داشته باشند.

• 471 (سه رقم بعدی): ولتاژ وریستور (Varistor Voltage)

این بخش مهم‌ترین قسمت کد است و ولتاژ وریستور یا ولتاژ شکست آن را نشان می‌دهد (همان V1mA که قبلاً توضیح دادیم).

نحوه خواندن آن شبیه به کد مقاومت‌های SMD است:

در مثال 471:

• 47 به معنای 47
• 1 به معنای یک صفر
• پس، 470 ولت.

مثال‌های دیگر:

• 270: 27 ولت (صفر صفر)
• 271: 270 ولت
• 392: 3900 ولت (3.9 کیلوولت)
• 431: 430 ولت (وریستور مناسب برای برق 220V AC)

نکته مهم: این ولتاژ معمولاً ولتاژ V1mA است، یعنی ولتاژی که در آن وریستور شروع به هدایت 1 میلی‌آمپر جریان می‌کند. در مدارهای AC، معمولاً این قطعه با ولتاژ V1mA بالاتر از پیک ولتاژ شبکه (نه ولتاژ RMS) انتخاب می‌شود.

K (حرف پایانی): تلرانس ولتاژ وریستور (Voltage Tolerance)

• این حرف نشان‌دهنده میزان تلرانس یا دقت ولتاژ وریستور است.
• K: معمولاً نشان‌دهنده تلرانس ±10% است (رایج‌ترین).
• J: تلرانس ±5%
• L: تلرانس ±15%
• M: تلرانس ±20%
• این تلرانس نشان می‌دهد که ولتاژ واقعی شکست وریستور می‌تواند تا این درصد با ولتاژ نامی روی کد متفاوت باشد.

مثال‌های دیگر:

D271K07:

• 07: قطر 7 میلی‌متر
• D: نوع دیسکی
• 271: 270 ولت
• K: تلرانس ±10%

D392K20:

• 20: قطر 20 میلی‌متر
• D: نوع دیسکی
• 392: 3900 ولت
• K: تلرانس ±10%

درادامه باید به این نکات هم توجه کنیم :

• تاریخ ساخت: برخی تولیدکنندگان ممکن است کد تاریخ ساخت (سال و هفته) را نیز روی وریستور چاپ کنند.
• لوگوی سازنده: معمولاً لوگوی شرکت سازنده نیز روی قطعه وجود دارد.

کاربردهای وریستور در دنیای مدرن:

وریستورها تقریباً در هر جایی که نیاز به حفاظت از مدارهای الکترونیکی در برابر ولتاژهای گذرا باشد یافت می‌شوند:

• لوازم خانگی: تلویزیون، یخچال، ماشین لباسشویی، مایکروویو، سیستم‌های صوتی و تصویری.
• تجهیزات کامپیوتری و اداری: کامپیوترهای شخصی، لپ‌تاپ‌ها، پرینترها، روترها، منابع تغذیه (PSU).
• سیستم‌های حفاظتی: محافظ‌های برق خانگی و صنعتی (سه‌راهی‌های محافظ)، تابلوهای برق، سیستم‌های اعلام حریق و دزدگیر.
• صنعت و اتوماسیون: تجهیزات کنترل صنعتی، موتورها، درایوها، سیستم‌های PLC.
• مخابرات: تجهیزات شبکه، مودم‌ها، تلفن‌های ثابت و بی‌سیم.
• خودرو: بسیاری از مدارهای الکترونیکی در خودروها برای حفاظت در برابر نوسانات سیستم برق خودرو از وریستور بهره می‌برند.

نتیجه‌گیری:

وریستور، با وجود سادگی در طراحی، نقش بی‌بدیلی در حفاظت از مدارهای الکترونیکی در برابر تهدیدات نوسانات ولتاژ ایفا می‌کند. این قطعه کوچک اما قدرتمند، به عنوان یک نگهبان هوشیار، از سرمایه‌گذاری ما محافظت می‌کند، قابلیت اطمینان سیستم‌ها را افزایش می‌دهد و به ایمنی کلی در دنیای پر چالش الکترونیک مدرن کمک شایانی می‌کند. دفعه بعد که دستگاه الکترونیکی خود را روشن می‌کنید، به یاد داشته باشید که این قطعه کوچک و فداکار در پس‌زمینه مشغول کار است تا از آن محافظت کند.