וריסטור
וריסטור (הידוע גם כנגד תלוי מתח VDR) הוא רכיב אלקטרוני המגן מפני נחשולי מתח עם התנגדות חשמלית המשתנה עם המתח המופעל[2] עם מאפיין זרם-מתח לא ליניארי הדומה לזה של דיודה עבור שני כיווני הזרם המעבר (בניגוד לדיודה בה שני הכיוונים מתנהגים אחרת).
השם "וריסטור" הוא הלחם בסיסים באנגלית של צמד המילים "נגד משתנה" (variating resistor).
באופן מסורתי, וריסטורים נבנו על ידי חיבור שני מיישרי זרם, כגון מיישר נחושת-תחמוצת או גרמניום-תחמוצת בתצורה אנטי-מקבילית (דהיינו במקביל, אבל עם קוטביות הפוכה). במתח נמוך לוריסטור יש התנגדות חשמלית גבוהה אשר יורדת ככל שהמתח עולה. וריסטורים מודרניים מבוססים בעיקר על חומרים קרמיים של מתכת – תחמוצת עם התנהגות כיוונית בקנה מידה מיקרוסקופי. סוג זה ידוע בשם וריסטור מתכת-תחמוצת (MOV).
וריסטורים משמשים כאלמנטי בקרה או פיצוי במעגלים חשמליים, בין אם כדי לספק תנאי פעולה אופטימליים או כדי להגן מפני מתחי-יתר חולפים. כאשר משתמשים בהם כהתקני הגנה, הם מגנים על ידי הסטת הזרם שנוצר על ידי מתח היתר מרכיבים רגישים אליהם.
היסטוריה
[עריכת קוד מקור | עריכה]פיתוח הוריסטור כמיישר זרם המבוסס על שכבת תחמוצת נחושת (Cu2O) על נחושת, החל בעבודתם של ל.או. גרונדאל ופ.ה. גייגר בשנת 1927.[3]
וריסטור זה יצר התנגדות משתנה בהתאם לקוטביות ולגודל המתח המופעל והוא נבנה מדיסקית נחושת קטנה, שבצד אחד שלה נוצרה שכבה של תחמוצת נחושת, מה שיצר התנגדות נמוכה לזרם הזורם מהתחמוצת המוליך למחצה לצד הנחושת, אך התנגדות גבוהה לזרם בכיוון ההפוך, כאשר ההתנגדות הרגעית משתנה באופן רציף עם המתח המופעל.
בשנות ה-30 של המאה ה-20, מכלולי וריסטור בגודל מרבי של פחות מאינץ' החליפו מעגלי שפופרת אלקטרונים מגושמים כמודולטורים ודמודולטורים במערכות טלפוניה.
יישומים נוספים כללו הגנה על מעגלים מפני קפיצות מתח ורעשים כמו גם דיכוי רעשי קליקים על רכיבי המקלט בכדי כאמצעי לביטול רעשים אקוסטיים. וריסטורים אלה נבנו על ידי שכבה של מספר זוגי של דיסקיות וחיבור קצוות ההדקים והמרכז בתצורה אנטי-מקבילית (במקביל עם קוטביות הפוכה), כפי שמוצג בתמונה של וריסטור מסוג 3B של Western Electric מיוני 1952.
וריסטור 3B של Western Electric שיוצר בשנת 1952 לשימוש כמדכא קליקים במכשירי טלפון
מעגל של המבנה המסורתי של וריסטורים המשמשים כמדכאי קליקים בטלפוניה
סמל סכמטי מסורתי של וריסטור, המשמש כיום עבור הדיאק. הוא מבטא את ההתנהגות דמוית הדיודה בשני כיווני זרימת הזרם.
וריסטור מסוג 44A של Western Electric לדיכוי קליקים, מותקן על רכיב מקלט טלפון U1 שיוצר בשנת 1958.
מכשיר הטלפון מסוג 500 של Western Electric משנת 1949 השתמש במעגל איזון לולאה דינמי באמצעות וריסטורים שהעבירו רמות גבוהות יחסית של זרם על קוי תמסורת קצרים במרכזיית הטלפונים בכדי להתאים את רמות אות השידור והקליטה באופן אוטומטי. קוי תמסורת ארוכים יותר, הוריסטורים שמרו על התנגדות גבוהה יחסית ולא שינו את האותות באופן משמעותי.
סוג נוסף של וריסטור יוצר מסיליקון קרביד (SiC) על ידי ר.ו. גריסדאל בתחילת שנות ה-30. הוא שימש להגנה על קווי טלפון מפני ברקים.
בתחילת שנות ה-70, חוקרים יפנים זיהו את התכונות האלקטרוניות המוליכות למחצה של תחמוצת אבץ (ZnO) כשימושית לסוג חדש של וריסטור אשר הציג פונקציית מתח-זרם דומה לזו של זוג דיודות זנר גב אל גב. סוג זה של התקן הפך לשיטה המועדפת להגנה על מעגלים מפני נחשולי מתח והפרעות חשמליות הרסניות אחרות, ונודע בדרך כלל בשם וריסטור תחמוצת המתכת (MOV). האקראיות של כיווניות גרגירי ה-ZnO בתפזורת חומר זה סיפקה את אותם מאפייני מתח-זרם עבור שני כיווני זרימת הזרם.
הרכב, תכונות ותפעול של וריסטור תחמוצת המתכת
[עריכת קוד מקור | עריכה]
הסוג המודרני הנפוץ ביותר של וריסטור הוא וריסטור מתכת-תחמוצת (MOV). סוג זה מכיל גרגירי תחמוצת אבץ (ZnO), במטריצה של תחמוצות מתכת אחרות, כגון כמויות קטנות של ביסמוט, קובלט ותחמוצות מנגן, בין שתי לוחות מתכת, המהוות את האלקטרודות של המכשיר. הגבול בין כל גרגיר לשכן יוצר צומת דיודה, המאפשר לזרם לזרום בכיוון אחד בלבד. הצטברות של גרגירים בעלי אוריינטציה אקראית שקולה מבחינה חשמלית לרשת של זוגות דיודות גב אל גב, כל זוג במקביל לזוגות רבים אחרים.
כאשר מופעל מתח קטן על פני האלקטרודות, זורם רק זרם זעיר, הנגרם עקב דליפה הפוכה דרך צמתי הדיודה. כאשר מופעל מתח גדול, צומת הדיודה מתנוון עקב שילוב של פליטה תרמיונית ומנהור אלקטרונים, וכתוצאה מכך נוצרת זרימת זרם גדולה. תוצאת התנהגות זו היא מאפיין זרם-מתח לא ליניארי, שבו ל-MOV יש התנגדות גבוהה במתחים נמוכים והתנגדות נמוכה במתחים גבוהים.
מאפיינים חשמליים
[עריכת קוד מקור | עריכה]וריסטור נשאר לא מוליך כהתקן במצב מקבילי במהלך פעולה רגילה כאשר המתח עליו נשאר הרבה מתחת ל"מתח ההידוק" שלו, לכן וריסטורים משמשים בדרך כלל לדיכוי עליות מתח בקו. וריסטורים יכולים להיכשל משתי סיבות.
כשל קטסטרופלי מתרחש כתוצאה מאי הגבלת נחשול מתח גדול מאוד כתוצאה מאירוע כמו מכת ברק, שבו האנרגיה המעורבת גדולה בסדרי גודל רבים ממה שהווריסטור יכול להתמודד עימו. זרם המשך הנובע מפגיעה עלול להמיס, לשרוף או אפילו לאדות את הווריסטור. בריחת זרם תרמית זו נובעת מחוסר התאמה בצמתים בודדים של גבולות הגרעינים, מה שמוביל לכשל של נתיבי זרם דומיננטיים תחת לחץ תרמי כאשר האנרגיה בפולס חולף (הנמדד בדרך כלל בג'ול) גבוהה מדי (כלומר עולה באופן משמעותי על מגבלות היצרן). ניתן להפחית את ההסתברות לכשל קטסטרופלי על ידי שימוש בוריסטור המיועד למתחים גבוהים יותר, או שימוש במקביל בזרמי זרם חשמליים שנבחרו במיוחד.[4]
ככל שמתרחשים יותר נחשולי מתח כך מצטברת ההתנוונות של וריסטור. מסיבות היסטוריות, מגוון רחב של וריסטורים מסוג MOV הוגדרו באופן שגוי, מה שמאפשר פגיעה בקיבולת.[5] במצב זה הווריסטור אינו ניזוק באופן גלוי ונראה כלפי חוץ מתפקד (ללא כשל קטסטרופלי), אך הוא אינו מאפשר עוד הגנה[6] בסופו של דבר, הוא עובר למצב קצר חשמלי כאשר נוצרת תעלה מוליכה דרך התחמוצות.
הפרמטר העיקרי המשפיע על תוחלת החיים של הווריאסטר הוא דירוג האנרגיה שלו (ג'אול). הגדלת דירוג האנרגיה מעלה את מספר הפולסים החולפים (בגודל מקסימלי מוגדר) שהוא יכול להכיל באופן אקספוננציאלי, כמו גם את הסכום המצטבר של אנרגיה מפולסים קטנים יותר של הידוק. כאשר פולסים אלה מתרחשים, "מתח ההידוק" שהוא מספק במהלך כל אירוע פוחת, וריסטור נחשב בדרך כלל כבעייתי מבחינה תפקודית כאשר "מתח ההידוק" שלו השתנה ב-10%. תרשימי תוחלת החיים של היצרן משתמשים בפרמטרי הזרם, דרגת חומרה ומספר המעברים כדי לבצע תחזיות כשל על סמך האנרגיה הכוללת שמתפזרת לאורך חיי החלק.
במוצרי אלקטרוניקה צרכניים, ובמיוחד במגני נחשולי מתח, גודל וריסטור ה־MOV בו נעשה שימוש קטן מספיק כך שצפוי כשל בסופו של דבר.[7] יישומים אחרים, כגון העברת חשמל, משתמשים ב-VDRs בעלי מבנה שונה בתצורות מרובות המתוכננות למשך חיים ארוך.[8]
מתח הווריאסטר (MOV) מוגדר לפי טווח המתחים שהם יכולים לסבול ללא נזק. פרמטרים חשובים נוספים הם דירוג האנרגיה של הווריאסטר בג'אול, מתח הפעלה, זמן תגובה, זרם מרבי ומתח פריצה (הידוק). דירוג האנרגיה מוגדר לעיתים קרובות באמצעות ערכי מעבר סטנדרטיים כגון 8/20 מיקרו-שניות או 10/1000 מיקרו-שניות, כאשר 8 מיקרו-שניות הוא זמן ההתחלה של המעבר ו-20 מיקרו-שניות הוא הזמן עד לחצי הערך.
קיבול
[עריכת קוד מקור | עריכה]קיבול טיפוסי עבור צרכן בגודל (קוטר של בין 7–20 מ"מ) נמצאים בטווח של 100–2,500 פיקו-פאראד. וריסטורים קטנים יותר ובעלי קיבוליות נמוכה יותר זמינים עם קיבוליות של כ-1 פיקו-פאראד להגנה מיקרואלקטרונית, כמו בטלפונים סלולריים. עם זאת, וריסטורים בעלי קיבוליות נמוכה אלה אינם מסוגלים לעמוד בזרמי נחשול גדולים פשוט בגלל גודלם הקומפקטי המורכב על גבי המעגל המודפס.
זמן תגובה
[עריכת קוד מקור | עריכה]זמן התגובה של ה-MOV אינו סטנדרטי. התגובה של ה-MOV היא פחות מננו-שנייה אך היא מבוססת על זמן התגובה הפנימי של החומר, שיואט על ידי גורמים אחרים כגון השראות של חוטי הרכיב ושיטת ההרכבה. זמן תגובה זה הוא זניח בהשוואה לטרנזיינט בעל זמן עלייה של 8 מיקרו-שניות, ובכך מאפשר זמן רב למכשיר להידלק באיטיות. כאשר הוא נבדק בזמן מעבר מהיר מאוד, של פחות מ-1 ננו-שנייה, זמני התגובה של ה-MOV הם בטווח של 40–60ns.[9]
יישומים
[עריכת קוד מקור | עריכה]
מפצל חשמל טיפוסי להגנה מפני נחשולי מתח בנוי באמצעות מוליכים חשמליים מסוג MOV. גרסאות זולות עשויות להשתמש בווריסטור אחד בלבד בין המוליך החם למוליך הנייטרלי. מגן טוב יותר מכיל לפחות שלושה וריסטורים; אחד על פני כל אחד משלושת זוגות המוליכים. חלק מהתקנים מחייבים שימוש במערכת וריסטור משולשת כדי שכשל קטסטרופלי ב-MOV לא ייצור סכנת שרפה.[10][11]
סכנות
[עריכת קוד מקור | עריכה]בעוד ש-MOV מתוכנן להוליך הספק משמעותי למשך פרקי זמן קצרים מאוד (כ-8 עד 20 מיקרו-שניות), כגון כאלה הנגרמים כתוצאה מפגיעות ברק, בדרך כלל אין לו את היכולת להוליך אנרגיה רציפה. בתנאי מתח רגילים, זו אינה בעיה. עם זאת, סוגים מסוימים של תקלות ברשת החשמל עלולים לגרום לתנאי מתח יתר מתמשכים. דוגמאות לכך כוללות אובדן מוליך אפס או קצרים בקווים במערכת המתח הגבוה. הפעלת מתח יתר מתמשך על MOV עלולה לגרום לפיזור גבוה, מה שעלול לגרום להתלקחות המכשיר. האיגוד הלאומי להגנה מפני אש (NFPA) תיעד מקרים רבים של שריפות קטסטרופליות שנגרמו על ידי התקני MOV במדכאי נחשולי מתח, ופרסם הודעות בנושא.[12]
נתיך תרמי המחובר בטור הוא פתרון אחד לכשל קטסטרופלי של MOV. וריסטורים עם הגנה תרמית פנימית זמינים גם כן.
ישנן מספר סוגיות בנוגע להתנהגותם של מדכאי נחשולי מתח חולפים (TVSS) המשלבים רכיבי MOV בתנאי מתח יתר. בהתאם לרמת הזרם המוליך, חום שמתפזר עשוי לא להספיק כדי לגרום לכשל, אך עלול לפגוע בהתקן ה-MOV ולהפחית את תוחלת החיים שלו. אם מוליך זרם מוגזם על ידי ה-MOV, הוא עלול להיכשל באופן קטסטרופלי עד למצב של מעגל פתוח, ולהשאיר את העומס מחובר אך כעת ללא כל הגנה מפני נחשולי מתח. ייתכן שלמשתמש אין אינדיקציה לכך שמדכא הנחשולים כשל.
בתנאים הנכונים של מתח יתר ועכבת קו, ייתכן שניתן לגרום ל-MOV להתלקח,[13] שורש השרפות הרבות[14] וזו הסיבה העיקרית לדאגה של NFPA שהובילה ל-UL1449 בשנת 1986 ולתיקונים שלאחר מכן בשנת 1998 ו-2009. התקני TVSS שתוכננו כהלכה לא צריכים להיכשל באופן קטסטרופלי, אלא לגרום לפתיחת נתיך תרמי או משהו שווה ערך שרק מנתק את התקני MOV.
מגבלות
[עריכת קוד מקור | עריכה]מתח גבוה (MOV) בתוך מדכא נחשולי מתח חולפים (TVSS) אינו מספק הגנה מלאה לציוד חשמלי. בפרט, הוא אינו מספק הגנה מפני מתח יתר מתמשך שעלול לגרום נזק לציוד זה כמו גם להתקן המגן. מתח יתר מתמשך ומזיק אחר עשוי להיות נמוך יותר ולכן התקן MOV מתעלם ממנו.
וריסטור אינו מספק הגנה לציוד מפני עליות זרם כניסה (במהלך הפעלת הציוד), מפני זרם יתר (הנוצר מקצר חשמלי) או מפני ירידות מתח (הפסקות חשמל); הוא אינו חש ואינו משפיע על אירועים כאלה. רגישותו של ציוד אלקטרוני להפרעות חשמל אחרות אלה מוגדרת על ידי היבטים אחרים של תכנון המערכת, בין אם בתוך הציוד עצמו ובין אם חיצונית באמצעות אמצעים כגון UPS, ווסת מתח או מגן נחשולי מתח עם הגנה מובנית מפני מתח יתר (המורכבת בדרך כלל ממעגל חישת מתח וממסר לניתוק כניסת הזרם החילופין כאשר המתח מגיע לסף סכנה).
השוואה למשתיקי מעבר אחרים
[עריכת קוד מקור | עריכה]שיטה נוספת לדיכוי קפיצות מתח היא דיודת דיכוי מתח חולף (TVS). אף על פי שלדיודות אין קיבולת גבוהה להוליך נחשולי מתח גדולים כמו דיודות MOV, דיודות אינן מתכלות על ידי נחשולי מתח קטנים יותר וניתן ליישמן עם "מתח הידוק" נמוך יותר. דיודות MOV מתכלות מחשיפה חוזרת ונשנית לקפיצות מתח[15] ובדרך כלל יש להן "מתח הידוק" גבוה יותר כך שדליפה לא פוגעת ב-MOV. שני הסוגים זמינים בטווח רחב של מתחים. דיודות MOV נוטות להתאים יותר למתחים גבוהים יותר, מכיוון שהן יכולות להוליך את האנרגיות הגבוהות יותר הנלוות בעלות נמוכה יותר.[16]
סוג נוסף של מדכא מתח חולף הוא מדכא צינורות גז. זהו סוג של פער ניצוצות שעשוי להשתמש באוויר או בתערובת גז אינרטי, ולעיתים קרובות כמות קטנה של חומר רדיואקטיבי כמו Ni-63, כדי לספק מתח פריצה עקבי יותר ולהפחית את זמן התגובה. עם זאת, להתקנים אלה עשויים להיות מתחי פריצה גבוהים יותר וזמני תגובה ארוכים יותר מאשר וריסטורים. עם זאת, הם יכולים להתמודד עם זרמי תקלה גבוהים משמעותית ולעמוד בפגיעות מתח גבוה מרובות (לדוגמה, מברקים) ללא פגיעה משמעותית.
וריסטור רב-שכבתי
[עריכת קוד מקור | עריכה]התקני וריסטור רב-שכבתיים (MLV) מספקים הגנה מפני פריקה אלקטרוסטטית למעגלים אלקטרוניים מפני תנודות באנרגיה נמוכה עד בינונית בציוד רגיש הפועל במתח ישר של 0–120 וולט. דירוגי זרם שיא שלהם נעים בין 20 ל-500 אמפר, ודירוגי אנרגיית שיא נעים בין 0.05 ל-2.5 ג'אול.
קישורים חיצוניים
[עריכת קוד מקור | עריכה]
- ה-ABC של סרטי MOV (אורכב 05.01.2011 בארכיון Wayback Machine) – הערות יישום מחברת Littelfuse
- בדיקת וריסטור (אורכב 05.01.2011 בארכיון Wayback Machine) מחברת Littelfuse
הערות שוליים
[עריכת קוד מקור | עריכה]- ↑ "Standards for Resistor Symbols". EePower. EETech Media.
- ↑ Bell Laboratories (1983). S. Millman (ed.). A History of Engineering and Science in the Bell System, Physical Science (1925–1980) (PDF). AT&T Bell Laboratories. p. 413. ISBN 0-932764-03-7. אורכב מ-המקור (PDF) ב-2018-12-26.
- ↑ Grondahl, L. O.; Geiger, P. H. (בפברואר 1927). "A new electronic rectifier". Journal of the A.I.E.E. 46 (3): 357–366. doi:10.1109/JAIEE.1927.6534186.
- ↑ "The ABCs of MOVs" (PDF). Littelfuse, Inc. 1999. ארכיון (PDF) מ-2022-05-14.
- ↑ "Lower not better" (PDF). www.nist.gov.
- ↑ "MOV Failure Mode Identification" (PDF). University of South Florida. n.d. ארכיון (PDF) מ-2021-02-25.
- ↑ "Metal Oxide Varistor (MOV) – Electronic Circuits and Diagram-Electronics Projects and Design". 23 במרץ 2011.
- ↑ "GE TRANQUELLTM Surge Arresters" (PDF). GE Grid Solutions. 2013. ארכיון (PDF) מ-2021-11-23.
- ↑ "Detailed Comparison of Surge Suppression Devices". אורכב מ-המקור ב-2010-11-05.
- ↑ "UL1449 3rd Edition Overview – Surge Protection – Littelfuse". אורכב מ-המקור ב-2018-11-01.
- ↑ USAGov. "USA.Gov Subscription Page" (PDF). publications.usa.gov.
- ↑ "Data Assessment for Electrical Surge Protection Devices". Fire Protection Research Foundation. 2014. ארכיון מ-2021-08-18.
- ↑ "Metal Oxide Varistors | Circuit Breakers Blog – Expert Safety and Usage Information". Circuit Breakers Blog.
- ↑ Pharr, Jim. "Surge Suppressor Fires". ESD Journal. אורכב מ-המקור ב-2007-03-16.
- ↑ Winn L. Rosch (2003). Winn L. Rosch Hardware Bible (6th ed.). Que Publishing. p. 1052. ISBN 978-0-7897-2859-3.
- ↑ Brown, Kenneth (במרץ 2004). "Metal Oxide Varistor Degradation". IAEI Magazine. אורכב מ-המקור ב-2011-07-19.
