วาริสเตอร์( Varistor )

             

วาริสเตอร์ (Varistor)

 

วาริสเตอร์ (อังกฤษ: varistor) เป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำอีกชนิดหนึ่งที่สามารถเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานได้ตามระดับแรงดันไฟฟ้า การทำงานของวาริสเตอร์คล้ายกับซีเนอร์ไดโอด คือ เมื่อแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าค่าที่กำหนดมันจะยอมให้กระแสไหลผ่านตัวมันเองได้ ยังส่งผลให้สามารถรักษาระดับของแรงดันไฟฟ้าให้อยู่ในสภาพปกติ วาริสเตอร์ชนิดนี้เรามักจะเรียกว่า วีดีอาร์ (VDR : Voltage Dependent Resistor) และมีบางชนิดที่มีลักษณะการทำงานคล้ายกับไดโอดแต่จุดทำงานจะสูงตามที่กำหนด

            ตัวต้านทานที่แปรค่าตามแรงดันนั้น รียกว่า วาริสเตอร์ ( Varistor ) ซึ่งไม่ค่อยจะเป็นที่รู้จักกันดีนักในหมู่นักอิเล็คทรอ นิกส์ สมัครเล่น โดยวาริสเตอร์นี้มีคุณสมบัติเฉพาะที่เด่น คือ เหมาะสำหรับใช้ป้องกันวงจรทางด้านอิเล็กทรอนิกส์ และ สารกึ่ง ตัวนำจากแรงดันเกิน ( overvoltages ) บทความนี้จะได้อธิบายถึงการทำงาน คุณสมบัติ และ การประยุกต์นำไปใช้งานต่าง ๆ 

รูปที่ 1 (ก) ค่าความต้านทานของวาริสเตอร์จะแปรผกผันกับแรงดันที่ตกคร่อมตัว 

(ข) กระแสจะไหลแบบเอ็กโปแนนเชียลเมื่อแรงดันเพิ่มขึ้น

          วาริสเตอร์จัดเป็นตัวต้านทานที่ไม่เป็นเชิงเส้นซึ่งโครงสร้างภายในผลิตมาจากซิลิกอนคาร์ไบด์ , สังกะสี ออกไซด์ ( Zincite ) หรือ ไททาเนียมออกไซด์ โดยบดสารแหล่านี้ให้เป็นเม็ดเล็กๆ และ นำไปเผาที่อุณหภูมิสูงจนแข็งตัว เป็นเซรามิก. ลักษณะ เด่นของตัวต้านทานที่แปรค่าตามแรงดันนี้ คือ คุณสมบัติระหว่างความต้านทาน ต่อแรงดันนั้น จะสมมาตรกัน. และจะ ไม่ขึ้นกับขั้วของแรงดันด้วย. ดังในรูปที่ 1 ก. ถึงแม้ว่าในความเป็นจริงแล้วหน้าสัมผัสเดี่ยวใด ๆ ของสารที่ใช้ทำตัวต้านทานจะ ยอมให้กระแสไหลผ่านได้ทางเดียวก็ตาม แต่การกระจายอย่างไม่เป็นระเบียบของหน้าสัมผัสจำนวนมาก. ซึ่งต่ออนุกรม และ ขนานกัน มีผลทำให้เกิดการเรียงกระแสในทิศทางตรงกันข้ามมีจำนวนเท่าๆ กัน. ดังนั้นตัวต้านทานชนิดนี้ จึงสามารถนำไปใช้ งานที่เกี่ยวกับไฟกระแสสลับ. ซึ่งไดโอดที่นิยมนำมาใช้ป้องกันวงจรทั่วไปไม่สามารถใช้งานได้. การทำงานของวาริส เตอร์นั้น สามารถเข้าใจได้ง่ายโดยพิจารณาว่าเป็นซีเนอร์ไดโอดสองตัวต่อหลังชนกัน. เมื่อค่าแรงดันที่ป้อนให้วาริส เตอร์ต่ำกว่าค่าที่ กำหนดไว้. กระแสจะไหลได้น้อย เนื่องจากค่าความต้านทานสูง เมื่อแรงดันเพิ่มขึ้น ค่าความต้านทานจะลดลง. และ กระแสเพิ่ม ขึ้นอย่างเป็นเอ็กโพเนนเชียล ดังในรูป 1 ข.

            

ความสัมพันธ์ระหว่างค่าแรงดัน ( V ) และ กระแส ( I ) ของวาริส เตอร์สามารถอธิบายได้ด้วยสมการ

V = CI เบต้า

          ซึ่ง V มีหน่วยเป็นโวลต์ I มีหน่วยเป็นแอมแปร์ ส่วน C และ เบต้า เป็นค่าคงที่ของสารที่ ใช้ทำตัวต้านทานในทางปฏิบัติ ค่าของ C อยู่ในช่วง 14 จนถึง 2 - 3,000 สำหรับค่า เบต้า นั้น แสดงในตารางที่ 1 เมื่อค่าแรงดัน และ กระแสถูกวาดลงบนสเกล แบบลอก - ลอก ดังในรูปที่ 2 โดยคุณสมบัติระหว่าง V / I จะเป็นเส้นตรงซึ่งมีความชันเท่ากับ เบต้า. คุณสมบัตินี้จะเบี่ยงแบน ไปจากเส้นตรงเฉพาะเมื่อกระแสมีค่าน้อยมาก.

ตารางที่1 แสดงการเปรียบเทียบให้เห็นถึงวาริสเตอร์ชนิดต่างๆ

          การเลือกใช้ชนิดของวาริสเตอร์ให้เหมาะสมกับงานนั้น ไม่จำเป็นที่เราต้องรู้ถึงคุณสมบัติของมันอย่างแท้จริง เพียงแต่ รู้ข้อมูลบางอย่าง เช่น

• ระดับแรงดันช่วงที่วาริสเตอร์เริ่มทำงาน ซึ่งความแหลมของช่วงแรงดันนี้ เป็นคุณสมบัติที่ขึ้นอยู่กับสารที่ใช้ ทำ ยกตัว อย่างเช่น วาริสเตอร์ที่ทำจากสังกะสี - ออกไซด์ จะมีช่วงแรงดันที่แหลมกว่าชนิดที่ทำจากซิลิ กอนคาร์ไบด์. ส่วนวาริส เตอร์ที่ทำจากไททาเนี่ยมออกไซด์ จะมีช่วงแรงดันค่อนข้างต่ำ ( ประมาณ 2.7 โวลต์ ) แรงดันช่วงที่วาริส เตอร์เริ่มทำงาน นี้จะถูกกำหนดมาสำหรับค่ากระแสที่เหมาะสม ซึ่งขึ้นอยู่กับค่าของวาริส เตอร์.
• เบต้า ( ดูรูปที่ 2 ประกอบ ) ค่าคงที่นี้มีค่าน้อยมากสำหรับวาริส เตอร์ที่ทำจากสังกะสีออกไซด์ ซึ่งหมายความว่า ถึงแม้ว่า จะเพิ่มค่าแรงดันเป็นจำนวนน้อย แต่จะก่อให้เกิดการเพิ่มขึ้นของกระแสอย่างมากมาย.

รูปที่ 2 การหาค่า เบต้า จากการวาดระหว่างกระแสและแรงดันบนกราฟแบบลอก-ลอก

• ค่ากระแสยอดสูงสุด หรือ พลังงานของพัลส์สูงสุด ซึ่งสามารถแผ่กระจายออกไป โดยค่าพลังงานของพัลส์สูงสุดนี้ เป็น ตัวแปรที่สำคัญที่สุดในวงจรป้องกัน.
• กี่ใช้งานอย่างต่อเนื่อง ซึ่งมีความสำคัญ เมื่อเวลาใช้วาริส เตอร์ในวงจรรักษาระดับแรงดัน หรือ วงจรที่มีอัตราการส่ง พัลส์อย่างเร็วมาก.

การประยุกต์ใช้งาน

          วาริสเตอร์นั้น ถูกนำไปใช้ในการกำจัดสัญญาณรบกวนที่เป็นพัลส์กำลังงานสูง โดยเฉพาะ เช่น จากแสงสว่าง หรือ อื่นๆ ที่เกิดขึ้นในวงจรที่มีตัวเหนี่ยวนำถูกเปิดวงจร. การตัดต่อนี้ อาจจะเป็นผลจากสวิตซ์ ฟิวส์ หรือ จากสารกึ่งตัวนำถ้าสารกึ่งตัวนำ นี้เป็นไทริสเตอร์. คุณอาจจะคิดว่าไม่มีปัญหาเกิดขึ้น เนื่องจากอุปกรณ์นี้จะเปิด วงจรเฉพาะจุดที่แรงดันของปหล่งจ่ายไฟเท่ากับ ศูนษ์ . ดังนั้น จึงไม่น่าที่จะมีแรงดันเหนี่ยวนำเกิดขึ้น ซึ่งความจริงแล้ว การตัดต่อ จะเกิดขึ้นในขณะเดียวกับที่กระแสลดลงต่ำกว่า ค่ายึด ( holding value ) ซึ่งเป็นค่ากระแสที่จำเป็น. สำหรับรักษาให้ไทริสเตอร์ยังคงนำกระแสอยู่ ค่ากระแสยึดมีค่าไม่เท่ากับ ศูนย์ จึงทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ จำนวนเล็กน้อยขึ้น. ในหลายๆ กรณี พลังงานสนามแม่เหล็กซึ่งเท่ากับ 1 / 2 L(Iกำลัง2) จะถูกกระจายผ่านไดโอด และ ส่วนของความต้านทานที่เกิดจากการเหนี่ยวนำด้วยตัวเอง โดยที่ I เป็นค่ากระแสใน ขณะตัดวงจร เนื่องจากค่าความเหนี่ยวนำด้วยตัวเองส่วนใหญ่ แล้วจะเป็นการควบคุมทาง ด้านไฟกระแสในขณะตัดวงจร และ L เป็นค่าความเหนี่ยวนำทั้งหมดของวงจร. เนื่องจากค่าความเหนี่ยวนำด้วยตัวเองส่วนใหญ่แล้ว จะเป็นการควบคุมทางด้านไฟกระ แสสลับ จึงทำให้ไม่สามารใช้ไดโอดได้. ดังนั้น วาริส เตอร์จึงเป็นหนทางเดียว ที่จะแก้ปัญหานี้ได้.

สิ่งที่ควรคำนึงถึงในการเลือกใช้วาริสเตอร์สำหรับงานเฉพาะ คือ

• แรงดันทีเป็นยอดซึ่งอุแกรณ์ที่ถูกป้องกันสามารถทนได้โดยไม่เกิดความเสียหายนั้น จะต้องเลือกวาริสเตอร์ ที่มีค่าแรงดัน เริ่มทำงานต่ำกว่า แรงดันที่เป็นยอดนี้
• ค่าแรงดันสูงสุด ( VP) ที่ตกคร่อมวาริส เตอร์ภายใต้เงื่อนไขปกติ ( ในงานเกี่ยวกับไฟกระแสสลับ ค่า VP = 1.414 Vrms ) เป็นกฏที่ต้องจำไว้ว่า กระแสที่ไหลผ่านวาริส เตอร์ที่ระดับแรงดันขนาดนี้ จะต้อง ต่ำกว่า 1 mA
• ค่ากระแสทรานเชียนต์สูงสุด
• ค่ากำลังงานที่กระจายตัวในวาริส เตอร์ระหว่างมีสัญญาณรบกวนเกิดขึ้น. เมื่อตัววาริส เตอร์ต่อคร่อมตัวเหนี่ยวนำอยู่ ค่ากำลังงานนี้จะต้องน้อยกว่า 1 / 2 L(Iกำลัง2)
• การกระจายกำลังงานเฉลี่ย โดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าตราส่งพัลส์มีค่าสูง หรือ ถ้าแรงดันเริ่มทำงานไม่สูงเกินกว่าค่าแรงดัน ปฏิบัติงานในภาวะปกติ.

เมื่อฟิวส์ตัดวงจร แรงดันของแหล่งจ่ายไฟจะเพิ่มสูงขึ้นทันทีทันใด ถ้าไม่มีการป้องกันไว้ อุปกรณ์ต่าง ๆ อาจเสียหายได้

แนวทางการเลือกใช้

          1. กำหนดแรงดันสูงสุด ในภาวะปกติที่ตกคร่อมตัววาริส เตอร์ เมื่อยังไม่มีแรงดันทรานเชียนต์เกิดขึ้น โดยรวมทั้งแรง ดันสูงใดๆ ในสายที่อาจเกิดขึ้น ยกตัวอย่างเช่น ระบบไฟ 117 โวลต์ ความเที่ยงตรง ฑ 10%. ดังนั้น รงดันสูงสุดในสายที่อาจ เกิดขึ้น = 129 โวลต์ อาร์เอ็มเอส กำหนดตำแหน่งของแรงดันตามสเกลในแนวนแน. จากตารางที่ 2 แล้วดูลงมาตามแนวดิ่งเพื่อ เลือกวาริส เตอร์แบบที่เหมาะสม.

ตารางที่ 2 การเลือกใช้วาริสเตอร์ให้เหมาะสมกับงาน

          2. กำหนดระดับของพลังงานทรานเชียนต์ ตามสเกลในแนวดิ่งด้านซ้ายสุด เพื่อให้เหมาะสมกับขั้นตอนในข้อ 1 ยกตัว อย่างเช่น 129 Vrms 20 จูลส์ ( ตามตารางจะเห็นว่าจะต้องเลือกแบบ L และ แบบ PA จึงจะเหมาะสม ) ถ้าไม่ทราบถึงระดับ พลังงาน ให้ลองประมาณดูตามความเหมาะสมของงานแต่ละอย่าง. สำหรับกระแสทรานเชียนต์สูงสุด 20 แอมป์ . พลังงานที่สะ สมอยู่จะมีค่าน้อย ( เช่น ใช้ป้องกันหน้าสัมผัสของรีเลย์ ) หรือ ถ้าใช้วาริสเตอร์ในตำปหน่งที่อยู่หลังอุปกรณ์ที่ดูดซับทรานเชียนส์ ที่เกิดขึ้น เช่น หม้อแปลงไฟฟ้า ตัวเหนี่ยวนำ ตัวเก็บประจุ ) แบบ MA ( 0.1 - 7 จูลส์) จะเหมาะสมกว่าถ้าต้องการให้ พัลส์ของ กระแสยอดที่สูงขึ้น ก็ลองเลือกแบบ ZA , L หรือ PA ขึ้นอยู่กลับแรงดันที่ต้องการ.

          3. หลังจากกำหนดพลังงาน และ แรงดันที่ป้อนให้เสร็จแล้ว จะต้องพิจารณาถึงความต้องการในการ แพร่กระจาย พลัง งานโดยเฉลี่ยสำหรับทรานเชียนต์ที่เกิดบ่อย หรือต้องการติดตั้งแบบแข็งแรงให้ เลือกใช้แบบ PA และ สำหรับงานเฉพาะเจาะ จง นั้นต้องเปิดดูจากหนังสือคู่มือของแต่ละประเภทต่อไป.

อ้างอิง 

http://electronics.se-ed.com/contents/074s170/074s170_p01.asp

https://th.wikipedia.org/wiki/%E0%B8%A7%E0%B8%B2%E0%B8%A3%E0%B8%B4%E0%B8%AA%E0%B9%80%E0%B8%95%E0%B8%AD%E0%B8%A3%E0%B9%8C

นายพงศ์ศธร  นุคำ

มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลล้านนา เชียงใหม่