المقاومة المتغيّرة بتغيّر الجهد (Varistor)

تُستخدَم المقاومة في الكثير من الدّارات الكهربائية وبأشكال متعدّدة، حيث تكاد تكون عنصراً كهربائيّاً متواجداً في كلّ الدّارات الكهربائيّة، وتتراوح هذه المقاومات من المقاومات الثّابتة حيث تبقى الممانعة غير قابلة للتّغيير، إلى أشكال متعدّدة من المقاومات المتغيّرة والتّي تتغيّر ممانعتُها تبعاً لعوامل مختلفة.تتواجد المقاومات المتغيّرة بأنواع مختلفة مثل Rheostats، والتّي تتغيّر مقاومتها بتأثير طول السلك المقاوم و Potentiometers المقاومات التي تعمل كمقسم جهد، بالإضافة لذلك يوجد مجموعة أخرى من المقاومات لا يمكن تغيير مقاومتِها يدويّاً بل تكون حسّاسة لعوامل فيزيائيّة مثل درجة الحرارة والجهد والحقل المغناطيسي ….إلخ.

يأخذك هذا المقال في عالم المقاومة التّي تعتمد على الجهد والمعروفة باسم الفاريستور (Varistor).

ما هو الفاريستور Varistor؟

إنّه مقاومة متغيّرة تعتمد ممانعتُها على الجهد المطبّق، وتمت صياغة الاسم من خلال المزج اللغويّ بين كلمتين هما تغيّر “varying” ومقاومة “resistor”، ويعرف أيضاً باسم VDR مقاومة تعتمد على الجهد voltage dependent resistor ويملك مميزة غير أوميّة، لذلك يُصنَّف ضمن المقاومات غير الخطيّة.

على عكس المقاومات التّي تعمل كمقسم جهد والمقاومات المتغيّرة بتغيّر طول السلك المقاوم، حيث تتراوح الممانعَة من قيمة صُغرى إلى قيمة عُظمى، فإنّ المقاومة في الفاريستور تتغيّر بشكل تلقائيّ مع تغيّر الجهد المطبّق عليه، كما يحتوي على عنصرين من أنصاف النّواقل، ويؤمّن حماية من الجهد الزائد في الدّارة الكهربائيّة بشكل مشابه لديود زينر.

كيف يؤدّي تغيّر الجهد المطبّق إلى تغيّر مقاومة الفاريستور؟

إنّ الإجابة على هذا السؤال تكمن في بنيته، حيث أنّه يتألّف من مادة نصف ناقلة تنخفض مقاومتها بازدياد الجهد المطبّق عليها.

عند وجود زيادة مفرطة بالجهد فإنّ المقاومة المطبّق عليها هذا الجهد تنخفض عدّة أضعاف، حيث يجعل هذا السلوك الفاريستور خياراً جيّداً للحماية من الجهد الزائد في الدّارات الكهربائيّة الحسّاسة.

   المقاومات المتغيّرة بتغيّر الجهد (Varistor)

 

يظهَر الفاريستور في الحياة العمليّة كما هو مبيّن في الشّكل أعلاه.
يمكن الخلط بينه وبين المكثّفات الكهربائيّة capacitor، لكن على أيّة حال فإنّ الفاريستور والمكثّف الكهربائيّ لا يشتركان بأكثر من الحجم والشّكل.
يُستخدَم الفاريستور لكبح الجهد في حين أن المكثّف الكهربائيّ لا يمكنه القيام بهذه الوظيفة.

 رمزه:

في بداية اكتشافه تمّ تمثيلُه كـ (ديودين) متوازيين ومتعاكسين كما هو موضّح بالشّكل ادناه.

  رمز الدياك DIAC

وبسبب ذلك فإن التّيار يمرّ عبره بكلا الاتجاهين، على أيّة حال فإنّ ذلك الرّمز يُستخدم الآن من أجل الدّياك DIAC، ويستخدم الرّمز في الشّكل أدناه الآن في الدّارات الحديثة.

     الرّمز القياسيّ للفاريستور (Varistor)

قد تتساءل كيف يساعد الفاريستور في كبح الجهود العابرة في الدّارات الكهربائيّة؟
لفهم ذلك دعونا بداية نفهم

ما هو مصدر الجهد العابر؟

إنّ أصل الجهد العابر في الدّارات الكهربائيّة والمنابع غير متعلّق بكون هذه الدّارات تُغذَّى من منبع جهد متناوب AC أو مستمرّDC طالما أن أصل هذا الجهد العابر هو من الدّارة نفسها أو انتقل من أيّ منابع خارجية، هذه الحالات العابرة تُنتِج زيادة في الجهد تصل لعدّة آلاف من الفولتات والتّي يمكن أن تسبّب كارثة في الدّارة الكهربائيّة، لذلك يجب كبح هذه الجهود العابرة.
إنّ التّأثير (L ) والذّي يسبّبه تغيُّر التّيّار في الملفّات الحثيّة والتّيّارات المغناطيسيّة للمحوّلة بالإضافة إلى تطبيقات تشغيل محرّك التّيار المستمرّ هي المصدر الأكثر شيوعاً للجهد العابر.
يبيّن الشّكل موجة جهد عابرة متناوبة.

  موجة جهد عابرة متناوبة

يمكن وصل الفاريستور في الدّارة كما يلي:

  • في دارات التّيّار المتناوب: طور مع حياديّ أو طور مع طور.
  • في دارات التّيّار المستمرّ: النّهاية الموجبة مع النّهاية السالبة.

الآن ماذا عن الممانعة التّي يقدّمها الفاريستور؟ المقطع التّالي يتناول ذلك الموضوع:

الممانعة الساكنة والجهد للفاريستور:

إنّ اسم (varistor) يوحي بأنّه عنصر يقدّم ممانعة كما في المقاومات التّي تعمل كمقسم جهد والمقاومات المتغيّرة بتغيّر السّلك المقاوم، ولكن في الواقع فإنّ وظيفته مختلفة تماماً عن عملهم.
أولاً: لا يمكن تغيير المقاومة يدوياً كما في المقاومات المذكورة أعلاه.
ثانياً: عند العمل بالجهد الطّبيعيّ تكون ممانعة الفاريستور عالية جدّاً، وعندما يبدأ هذا الجهد بالازدياد بشكل مفاجئ ويرجع هذا غالباً إلى الجهود العابرة المتوّلدة في الدّارة نفسها أو المتحرِّضة من مصدر خارجي، فإنّ الممانعة تبدأ بالانخفاض بسرعة.
العلاقة بين الممانعة السّاكنة (الأوميّة) والجهد على المقاوم المتغيّر مبيّنة في الشّكل.

 العلاقة بين الممانعة والجهد على الفارستور

عمل الفاريستور:

لشرح عمل المقاوم المتغيِّر سنستخدم مميزة (جهد – تيار) المتعلّقة به، والمبيّنة في الشّكل من أجل إيضاحها.

   مميزة (جهد- تيار) للفاريستور

إنّ منحني المميزة (جهد- تيار) للمقاوم المتغيّر مشابه لمنحني ديود زينر، وهو ثنائيّ الاتجاه في الحالة الطبيعيّة، حيث نلاحظ أنّه يعمل في كلا الرّبعين الأوّل والثّالث، وتجعله هذه الخاصيّة مناسب للتّوصيل ضمن الدّارات ذات المنبع المتناوب أو المستمرّ.
من أجل دارات التيار المتناوب: هو ملائم كونه يستطيع العمل في أيّ اتّجاه أو قطبيّة للموجة الجيبيّة.
يُعرَّف جهد الثّبات أو جهد الفاريستور الموضّح في الشّكل السابق على أنّه قيمة الجهد، بحيث أنّ التّيار المار عبر الفاريستور منخفض جداً تكون قيمته غالباً بضع ميللي أمبيرات ويدعى تيار التّسرّب، وهو ناتج عن الممانعة العالية للفاريستور عند تطبيق جهد الثّبات عليه.
بالنّظر الآن إلى مميزة (جهد – تيار) نرى أنّه مع ازدياد الجهد عبر المقاوم المتغيّر فوق قيمة جهد التّثبيت يحصل زيادة مفاجئة في التّيار، ويحدث هذا بسبب الانخفاض المفاجئ في الممانعة والنّاتج عن ظاهرة تسمّى الانهيار الإلكترونيّ avalanche breakdown، حيث أنّه عند ارتفاع الجهد فوق جهد العتبة (وهو هنا جهد الثّبات) تبدأ الإلكترونات بالتّدفّق بشكل سريع، وبالتّالي تنخفض الممانعة ويزداد التّيار عبر الفاريستور.
يساعد هذا خلال الحالات العابرة للجهد، حيث أنّه عندما يحدث جهد مرتفع عابر في الدّارة الكهربائيّة الجهد على الفاريستور يرتفع إلى قيمة أكبر من قيمة جهد الثبات، وهذا بدوره يزيد التّيار خلاله فيعمل كناقل.
ميّزة أخرى للفاريستور يمكن ملاحظتُها من خلال مميزة (جهد – تيار)، هي أنّه حتّى عندما توجَد زيادة في التّيار فإنّ الجهد المطبَّق على الفاريستور يبقى مساوياً تقريباً لجهد الثّبات، هذا يعني أنّه يعمل كمنظّم ذاتيّ حتّى بوجود جهد عابر، ما يجعله مناسباً أكثر لنفس الغرض كونه يُراقِب زيادة الجهد باستمرار خلال مثل هذه الحوادث.
يُشير المنحني غير الخطيّ شديد الانحدار إلى أنّ التّيارات المرتفعة يمكن أن تمرّ عبر الفاريستور ضمن مجال ضيّق جداً للجهد (مشيراً إلى خاصيّة التّنظيم الذّاتيّ)، ويكبح أيّ ارتفاع في الجهد

السعة الكهربائية في الفاريستور:

كما تمّت المناقشة في المقاطع السّابقة، فإنّ الحالة العازلة للفاريستور تعني أنّ الجهد المطبّق عليه يساوي أو أقل من جهد الثّبات.
يعمل الفاريستور في حالته غير الناقلة أو العازلة كمكثّف أكثر منه كمقاومة، حيث أنّ الجسم نصف الناقل للفاريستور يعمل كعازل خلال حالته العازلة، ويمكن اعتباره مادّة عازلة كهربائيّاً بينما تعتبر النّهايتين أقطاباً كهربائيّة، هذا يعني أنّ أي فاريستور في حالته غير النّاقلة سيحتوي على سعة كهربائيّة تتناسب قيمتُها مع مساحة جسم نصف الناقل وعكساً مع ثخانته.
على أيّة حال، عندما يتعرّض الفاريستور لزيادة في الجهد المطبَّق عليه فإنّه يفقد خاصيّته العازلة ولا نعتبره كمكثّف .
بالعودة إلى حالة عمل الفاريستور كمكثّف، فإنّ سؤالاً جوهريّاً يخطر في بالك

هل يعمل بنفس الأسلوب في الدّارات الكهربائيّة ذات التّيار المتناوب والمستمرّ؟

الإجابة على هذا السّؤال تكمن في تردّد هذه الدّارات، حيث أنّه كما نعلم في دارات التّيار المستمرّ لا دور للتّردّد، لذلك تبقى السّعة حتّى يصبح الجهد مساوياً أو أقلّ من جهد الثّبات.
تختلف الحالة في دارات التّيار المتناوب حيث يلعب التّردّد دوراً مهمّاً، وبالتّالي تؤثّر سعة الفاريستور ضمن المنطقة غير النّاقلة على ممانعته.
بما أنّ الفاريستور يكون موصولاً عادة على التّوازي مع الجهازالإلكترونيّ المراد حمايته فإنّ ممانعة التّسرب تنخفض مع زيادة التّردّد، كما ترتبط الممانعة المتوازية النّاتجة مع التّردّد بعلاقة خطيّة.
من أجل دارات التّيار المتناوب، تُعطى المفاعلة السَّعويّة بالصيغة:

(XC = 1/(2Pi.fC

حيث:

f: تردّد الدّارة الكهربائية.

C: السَّعَة الكهربائيّة.

وبالتّالي يزداد تيّار التّسرّب في هذه الدّارات مع زيادة التّردّد.

أنواع الفاريستور:

يعتمد نوع الفاريستور على نوع المادّة التّي تشكّل بنيته، النّوعين الأكثر شيوعاً له مشروحان في الأسفل.

  • مقاوم كربيد السّيليكون (Silicon Carbide Varistor):
    يمكن تخمينه من اسمه، حيث أنّ جسم الفاريستور يتألّف من كربيد السّيليكون، وقد استخدم على نطاق واسع فيما مضى لفترة من الزّمن قبل أن يدخل الفاريستور المصنوع من أكسيد المعدن (Metal Oxide Varistor) الجديد إلى السّوق، يُستخدم الآن بشكل كبير في تطبيقات الجهد العالي والاستطاعة العالية، بالرّغم من ذلك فإنّ هذا النّوع من الفاريستور يسبّب ظهور تيّار تسرّب (تيّار مسحوب بحالة عدم العمل) كبير هو المشكلة الأساسيّة فيه، وهذا يتطلّب وجود عدّة فتحات للحدّ من استهلاك الطّاقة الاحتياطيّة.
  • مقاومات أكسيد المعدن (Metal Oxide Varistor):
    بما أنّ مقاومات السّيليكون لديها بعض العيوب الهامّة، فقد طُوِّر نوع آخر من الفاريستور وهو فاريستور أكسيد المعدن الذّي يقدّم حماية جيّدة من الجهد العابر، وهي الآن منتشرة بشكل كبير.
    يتألّف جسم الفاريستور في هذا النّوع من أكسيد المعدن الذّي يكون غالباً حبيبات أكسيد الزّنك التّي تُضغَط ككتلة خزفيّة تحوي 90% من حبيبات أكسيد الزّنك و10% من أكاسيد معادن أخرى مثل الكوبالت cobalt أو البزموث bismuth أو المنغنيز manganese، ثمّ تُضغَط هذه بين صفيحتين معدنيّتين، حيث تعمل الـ 10% من أكاسيد المعادن من كوبالت وبزموث ومنغنيز كعامل مثبِّت لحبيبات أكسيد الزّنك، فتبقى بذلك مَحميّة بين الصفيحتين المعدنيّتين، أسلاك التّوصيل تتّصل مع الصفيحتين المعدنيّتين.
    يبيّن الشّكل البنية الدّاخليّة لمقاوم أكسيد المعدن

    الميّزة الأساسيّة التّي يتفوّق فيها فاريستور أكسيد المعدن على فاريستور كربيد السيليكون هي أنّ تيّاره التّسربيّ منخفض،
    حيث يملك فاريستور أكسيد المعدن تيّارَ تسرّب منخفض جداً في شروط التشغيل الطبيعية، بالإضافة لذلك تصل مميّزاته (جهد – تيار) غير الخطيّة لمستويات عالية جدّاً.
    أحد عيوبه هي  أنّ تيّار الاندفاع (هو تيّار يظهر في بداية تشغيل المحولات أو المحرّكات، ويمتاز هذا التّيار بارتفاع قيمته حيث يبلغ مقداره (5-7) أضعاف التّيار الطبيعيّ (المستقرّ) ويمتاز بأنّه ينتهي سريعاً) يعتمد على عرض النّبضة العابرة وعدد تكرار النّبضات،وبالتّالي عند وجود نبضة عابرة ذات عرض كبير فإنّ تيّار الاندفاع سيرتفع، وربّما يسبّب مشاكل حرارية،إلّا أنّه من الممكن تجنب هذه المشاكل من خلال تبديد الطّاقة التّي امتصتها النّبضة العابرة.
  • الفاريستور السّطحي (Surface Mount Device Varistor):
    بشكل مشابه للأنواع الأخرى من الفاريستور يُستخدم هذا النّوع غالباً لحماية الدّارات الكهربائيّة، وتتألّف بنيته إمّا من كربيد السيليكون أو من أكسيد المعدن.
    الفرق الأساسيّ بينه وبين أنواع المقاومات الأخرى التّقليديّة هو أنّه صغير في الحجم، ومبنيّ باستخدام تقنية التّركيب السّطحي، هذا يعني أنّه يمكن توصيل هذه الأجهزة بسهولة ضمن لوحة دارة مطبوعة (printed circuit board)، وبما أنّ أقطابها أصغر في الحجم أو تحتوي على دبابيس ملحومة مع سطوح التّماس الموجودة على سطح اللوحة فإنّ هذا يُلغي الحاجة إلى الثّقوب في  لوحة الدّارة المطبوعة.
    بعض أنواع الفاريستور السطحي المنتشرة تتضمّن:
    عائلة AUML مخمّدات جهد الاندفاع العابر متعدد الطبقات (Series – Multilayer Transient Voltage Surge Suppressor)،
    وعائلة  MLA AUTOSeries، وعائلة Littelfuse MLA Automotive Multi-Layer Varistor (MLV)

بعض الأنواع البسيطة للفاريستور السّطحيّ موضّحة في الشّكل.

  الخلاصة:

إنّ مصطلح “Varistor” هو عبارة عن دمج مصطلحين هما تغيّر “varying” ومقاومات “resistors”، وبالرغم من أنّ الاسم يشير إلى أنّ هذا الجهاز سيعمل مثل مقاومة متغيرة تعمل كمقسّم جهد أو مقاومة متغيّرة بتغيّر طول السلك المقاوم فإنّ هذا النّوع يعمل بشكل مختلف تماماً، حيث تتغيّر الممانعة هنا وفقاً لتغيّر الجهد، وبالتّالي فإن الاستخدام الأساسيّ لهذا المقاوِم هو في حماية الدّارات الكهربائيّة من الجهد العابر.

إنّ الجسم نصف النّاقل في المقاوم المتغيّر بتغيّر الجهد يعمل كما في ديود زينر، حيث منحني مميزة (جهد – تيار) للفاريستور يبيّن زيادة كبيرة في التّيّار بعد قيمة معيّنة لجهد العتبة، ويسمى جهد العتبة الجهد المقدّر (the rated voltage) أو جهد الثّبات (the clamping voltage).

عندما يكون الجهد المطبّق على الفاريستور أقلّ إلى حدّ بعيد أو يساوي قيمة جهد الثّبات تكون مقاومة الفاريستور عالية، وبالتالي يقال أنّه في حالته العازلة، إلّا أنّه عند ازدياد هذا الجهد متجاوزاً قيمة جهد الثّبات تنخفض المقاومة كنتيجة للانهيار الإلكترونيّ في جسم نصف النّاقل، ويقال في هذه الحالة أنّ الفاريستور في حالته النّاقلة.

يُوجَد في السّوق نوعان رئيسيان من المقاومات المتغيّرة بتغيّر الجهد هما :مقاومات أكسيد المعدن ومقاومات كربيد السيليكون. إلّا أنّ مقاومات كربيد السيلكون استُبدِلت بشكل تدريجيّ بمقاومات أكسيد المعدن لأنّ تيّار التّسرب فيها كبير.

يُوجَد أيضاً المقاومات السّطحيّة التّي تُركَّب بسهولة في دارات اللّوحات المطبوعة.

—————————————————————————————————

المصدر : هنا
ترجمة : راما سلوم ، تدقيق لغوي : سلام أحمد ، تحرير : كريم سلوم  ، مراجعة : علي العلي

 

 

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *