المقاوم المتغير

المقاوم المتغير (المعروف أيضًا باسم المقاوم المعتمد على الجهد) هو عنصر إلكتروني لحماية الأجهزة من ارتفاعات الجهد المفاجئة ، وتتغير مقاومته الكهربائية بتغير الجهد المطبق. ^{[ 2 ]} يتميز بخاصية غير خطية وغير أومية في منحنى التيار-الجهد ، تشبه خاصية الثنائي . ولكن على عكس الثنائي، يتميز المقاوم المتغير بنفس الخاصية في كلا اتجاهي مرور التيار. تقليديًا، كان يُصنع المقاوم المتغير عن طريق توصيل مقومين ، مثل مقوم أكسيد النحاس أو مقوم أكسيد الجرمانيوم، في وضعية عكسية التوازي . عند الجهد المنخفض، يتميز المقاوم المتغير بمقاومة كهربائية عالية تتناقص مع ارتفاع الجهد. أما المقاومات المتغيرة الحديثة، فتعتمد بشكل أساسي على مواد أكسيد المعادن الخزفية المتلبدة ، والتي تُظهر سلوكًا اتجاهيًا على المستوى المجهري فقط. يُعرف هذا النوع باسم المقاوم المتغير لأكسيد المعادن ( MOV ).

تُستخدم المقاومات المتغيرة كعناصر تحكم أو تعويض في الدوائر الكهربائية إما لتوفير ظروف تشغيل مثالية أو للحماية من الفولتية العابرة الزائدة . وعند استخدامها كأجهزة حماية، فإنها تحول التيار الناتج عن الفولتية الزائدة بعيدًا عن المكونات الحساسة عند تشغيلها.

اسم "الفاريستور" هو اختصار لكلمة " المقاوم المتغير" . يُستخدم هذا المصطلح فقط للمقاومات المتغيرة غير الأومية. أما المقاومات المتغيرة الحقيقية ، مثل مقياس الجهد والريوستات ، فلها خصائص أومية .

إن تطوير المقاوم المتغير، في شكل نوع جديد من المقوم يعتمد على طبقة أكسيد النحاس الأحادي (Cu ₂ O) على النحاس، نشأ في عمل LO Grondahl و PH Geiger في عام 1927. ^{[ 3 ]}

أظهر المقاوم المتغير لأكسيد النحاس مقاومة متغيرة تبعًا لقطبية وقيمة الجهد المطبق. ^{[ 4 ]} وقد صُمم من قرص نحاسي صغير، شُكلت على أحد جانبيه طبقة من أكسيد النحاس الأحادي. يوفر هذا الترتيب مقاومة منخفضة للتيار المتدفق من أكسيد النحاس شبه الموصل إلى جانب النحاس، ومقاومة عالية للتيار في الاتجاه المعاكس، مع تغير المقاومة اللحظية باستمرار بتغير الجهد المطبق.

في ثلاثينيات القرن العشرين، وجدت مجموعات المقاومات المتعددة الصغيرة ذات الأبعاد القصوى التي تقل عن بوصة واحدة والتي يبدو أن عمرها الافتراضي غير محدد، تطبيقًا في استبدال دوائر أنابيب الإلكترون الضخمة كمعدلات ومزيلات تعديل في أنظمة تيار الحامل لنقل الهاتف. ^{[ 4 ]}

تضمنت التطبيقات الأخرى للمقاومات المتغيرة في شبكات الهاتف حماية الدوائر من ارتفاعات الجهد والتشويش، بالإضافة إلى كبح صوت الطقطقة في سماعات الأذن لحماية آذان المستخدمين من أصوات الفرقعة عند تبديل الدوائر. وقد صُنعت هذه المقاومات المتغيرة عن طريق تكديس عدد زوجي من أقراص التقويم وتوصيل أطرافها بالمركز بشكل عكسي، كما هو موضح في صورة مقاومة متغيرة من نوع Western Electric 3B في يونيو 1952 (أدناه).

• 
  مقاوم متغير من نوع Western Electric 3B، صنع عام 1952، لاستخدامه ككابح للنقرات في أجهزة الهاتف.
• 
  دائرة البناء التقليدي للمقاومات المتغيرة المستخدمة ككابحات للنقر في الاتصالات الهاتفية ^{[ 5 ]}
• 
  الرمز التخطيطي التقليدي للمقاومة المتغيرة، ^{[ 6 ]} المستخدم اليوم للداياك . وهو يعبر عن السلوك الشبيه بالدايود في كلا اتجاهي تدفق التيار.
• 
  مقاوم متغير من النوع 44A من شركة ويسترن إلكتريك لكبح النقر، مثبت على عنصر مستقبل الهاتف U1 الذي تم تصنيعه في عام 1958.

قدّم جهاز الهاتف من طراز ويسترن إلكتريك 500 عام 1949 دائرة معادلة ديناميكية للحلقة باستخدام مقاومات متغيرة تعمل على تحويل مستويات عالية نسبيًا من تيار الحلقة في حلقات المكتب المركزي القصيرة لضبط مستويات إشارة الإرسال والاستقبال تلقائيًا. أما في الحلقات الطويلة، فقد حافظت المقاومات المتغيرة على مقاومة عالية نسبيًا ولم تُغيّر الإشارات بشكل ملحوظ. ^{[ 7 ]}

تم صنع نوع آخر من المقاومات المتغيرة من كربيد السيليكون (SiC) بواسطة RO Grisdale في أوائل الثلاثينيات. وقد تم استخدامه لحماية خطوط الهاتف من الصواعق. ^{[ 8 ]}

في أوائل سبعينيات القرن العشرين، أدرك باحثون يابانيون أن الخصائص الإلكترونية شبه الموصلة لأكسيد الزنك (ZnO) مفيدة كنوع جديد من المقاومات المتغيرة (الفاريستور) في عملية تلبيد السيراميك ، حيث أظهرت دالة جهد-تيار مشابهة لتلك الخاصة بزوج من ثنائيات زينر المتصلة عكسيًا . ^{[ 9 ] [ 10 ]} أصبح هذا النوع من الأجهزة الطريقة المفضلة لحماية الدوائر من ارتفاعات الطاقة المفاجئة وغيرها من الاضطرابات الكهربائية المدمرة، وأصبح يُعرف عمومًا باسم المقاوم المتغير لأكسيد المعدن (MOV). وقد وفر التوزيع العشوائي لحبيبات أكسيد الزنك في كتلة هذه المادة نفس خصائص الجهد-التيار لكلا اتجاهي تدفق التيار.

يُعدّ مُقاوِم أكسيد المعدن (MOV) أكثر أنواع المُقاوِمات المُعاكسة شيوعًا في العصر الحديث. يتكون هذا النوع من كتلة خزفية من حبيبات أكسيد الزنك (ZnO)، ضمن مصفوفة من أكاسيد معدنية أخرى، مثل كميات ضئيلة من أكاسيد البزموت والكوبالت والمنغنيز، محصورة بين لوحين معدنيين يُشكلان أقطاب الجهاز. يُشكل الحد الفاصل بين كل حبيبة وأخرى مجاورة لها وصلة ثنائية ، تسمح بمرور التيار في اتجاه واحد فقط. يُعادل تراكم الحبيبات ذات التوجه العشوائي كهربائيًا شبكة من أزواج ثنائية متصلة عكسيًا، حيث يكون كل زوج متصلًا بالتوازي مع العديد من الأزواج الأخرى. ^{[ 11 ]}

عند تطبيق جهد منخفض على الأقطاب الكهربائية، يمر تيار ضئيل جدًا نتيجةً للتسرب العكسي عبر وصلات الثنائي. أما عند تطبيق جهد عالٍ، فتنهار وصلة الثنائي بسبب مزيج من الانبعاث الحراري ونفق الإلكترونات ، مما يؤدي إلى تدفق تيار عالٍ. ينتج عن هذا السلوك خاصية غير خطية للتيار-الجهد، حيث يتميز مُقاوم MOV بمقاومة عالية عند الجهود المنخفضة ومقاومة منخفضة عند الجهود العالية.

تصنيف الجهد

تُحدد مواصفات المقاومات المتغيرة المعدنية (MOVs) وفقًا لنطاق الجهد الذي تتحمله دون تلف. ومن المعايير المهمة الأخرى : قدرة المقاومة المتغيرة بالجول، وجهد التشغيل، وزمن الاستجابة، والتيار الأقصى، وجهد الانهيار (التثبيت). غالبًا ما تُحدد قدرة المقاومة المتغيرة باستخدام فترات زمنية عابرة قياسية ، مثل 8/20 ميكروثانية أو 10/1000 ميكروثانية، حيث تمثل 8 ميكروثانية زمن بداية الفترة العابرة، و20 ميكروثانية زمن الوصول إلى نصف القيمة.

يُصنع شريط الطاقة النموذجي الواقي من زيادة التيار باستخدام مقاومات أكسيد المعادن (MOVs). قد تستخدم النسخ منخفضة التكلفة مقاومًا متغيرًا واحدًا فقط، موصولًا بين الموصل الحي (النشط) والموصل المحايد. أما الواقي الأفضل فيحتوي على ثلاثة مقاومات متغيرة على الأقل؛ واحد عبر كل زوج من أزواج الموصلات الثلاثة. وتشترط بعض المعايير استخدام نظام ثلاثي المقاومات المتغيرة لتجنب خطر نشوب حريق في حال حدوث عطل كارثي في ​​مقاومات أكسيد المعادن. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

على الرغم من أن مُقاوم أكسيد المعدن (MOV) مُصمم لنقل طاقة كبيرة لفترات قصيرة جدًا (من 8 إلى 20 ميكروثانية تقريبًا)، كما هو الحال عند حدوث صواعق، إلا أنه عادةً لا يمتلك القدرة على نقل طاقة مستمرة. في ظل ظروف جهد الشبكة الكهربائية العادية، لا يُشكل هذا مشكلة. مع ذلك، قد تؤدي بعض أنواع الأعطال في شبكة الكهرباء إلى ظروف جهد زائد مستمر. ومن الأمثلة على ذلك فقدان الموصل المحايد أو حدوث قصر في خطوط نظام الجهد العالي. يُمكن أن يُؤدي تطبيق جهد زائد مستمر على مُقاوم أكسيد المعدن إلى تبديد كبير للطاقة، مما قد يُؤدي إلى اشتعاله. وقد وثّقت الرابطة الوطنية للحماية من الحرائق (NFPA) العديد من حالات الحرائق الكارثية التي تسببت بها مُقاومات أكسيد المعدن في مانعات الصواعق، وأصدرت نشرات حول هذه المسألة. ^{[ 21 ]}

يُعدّ الصمام الحراري الموصول على التوالي أحد الحلول لمشكلة التلف الكارثي لمقاومات أكسيد المعادن (MOV). كما تتوفر مقاومات متغيرة مزودة بحماية حرارية داخلية.

توجد عدة مسائل يجب مراعاتها فيما يتعلق بسلوك أجهزة منع ارتفاع الجهد العابر (TVSS) التي تتضمن مقاومات أكسيد معدني (MOVs) في ظروف الجهد الزائد. فبحسب مستوى التيار الموصل، قد لا تكون الحرارة المتولدة كافية لإحداث عطل، ولكنها قد تُضعف جهاز MOV وتقلل من عمره الافتراضي. إذا مر تيار زائد عبر جهاز MOV، فقد يتعطل بشكل كارثي ويؤدي إلى دائرة مفتوحة، مما يُبقي الحمل متصلاً ولكنه الآن بدون أي حماية من ارتفاع الجهد. وقد لا يلاحظ المستخدم أي مؤشر على تعطل جهاز منع ارتفاع الجهد.

في ظل ظروف معينة من الجهد الزائد ومقاومة الخط، قد يكون من الممكن أن يتسبب ذلك في اشتعال جهاز MOV، ^{[ 22 ]} وهو السبب الجذري للعديد من الحرائق ^{[ 23 ]} وهو السبب الرئيسي وراء قلق الرابطة الوطنية للحماية من الحرائق (NFPA) الذي أدى إلى إصدار معيار UL1449 في عام 1986 والتعديلات اللاحقة في عامي 1998 و2009. يجب ألا تتعطل أجهزة TVSS المصممة بشكل صحيح بشكل كارثي، بل يجب أن يؤدي ذلك إلى فتح مصهر حراري أو ما يعادله يفصل أجهزة MOV فقط.

لا يوفر مُثبِّت الجهد العابر (MOV) الموجود داخل مانع ارتفاع الجهد العابر (TVSS) حماية كاملة للأجهزة الكهربائية. فعلى وجه الخصوص، لا يوفر أي حماية من ارتفاعات الجهد المستمرة التي قد تُلحق الضرر بالأجهزة وجهاز الحماية نفسه. وقد تكون ارتفاعات الجهد المستمرة والضارة الأخرى أقل من ذلك، وبالتالي يتجاهلها مُثبِّت الجهد العابر.

لا يوفر المقاوم المتغير أي حماية للأجهزة من ارتفاعات تيار البدء (أثناء تشغيل الجهاز)، أو من التيار الزائد (الناتج عن قصر الدائرة)، أو من انخفاضات الجهد ( انقطاعات الجهد الجزئي )؛ فهو لا يستشعر هذه الأحداث ولا يؤثر عليها. وتتحدد حساسية الأجهزة الإلكترونية لهذه الاضطرابات الأخرى في الطاقة الكهربائية بجوانب أخرى من تصميم النظام، سواء داخل الجهاز نفسه أو خارجيًا بوسائل مثل وحدة تزويد الطاقة غير المنقطعة (UPS)، أو منظم الجهد، أو واقي التيار الزائد المزود بحماية مدمجة ضد الجهد الزائد (والذي يتكون عادةً من دائرة استشعار الجهد ومرحل لفصل مدخل التيار المتردد عندما يصل الجهد إلى عتبة الخطر).

تُعدّ ثنائيات كبح الجهد العابر (TVS) طريقة أخرى لكبح ارتفاعات الجهد . ورغم أن قدرة الثنائيات على تحمل الارتفاعات الكبيرة أقل من قدرة مُقاومات أكسيد المعادن (MOVs)، إلا أنها لا تتأثر بالارتفاعات الصغيرة، ويمكن استخدامها بجهد تثبيت منخفض. أما مُقاومات أكسيد المعادن (MOVs) فتتدهور نتيجة التعرض المتكرر للارتفاعات ^{[ 24 ]} ، وعادةً ما يكون جهد تثبيتها أعلى لتجنب تدهورها بسبب التسريب. يتوفر كلا النوعين ضمن نطاق واسع من الفولتية. وتُعدّ مُقاومات أكسيد المعادن (MOVs) أكثر ملاءمةً للفولتية العالية، لقدرتها على تحمل الطاقات العالية بتكلفة أقل ^{[ 25 ] .}

يُعدّ مُثبِّط الأنابيب الغازية نوعًا آخر من مُثبِّطات التيار العابر. وهو نوع من فجوات الشرارة التي قد تستخدم الهواء أو خليطًا من الغازات الخاملة ، وغالبًا ما تستخدم كمية صغيرة من مادة مشعة مثل النيكل-63 ، لتوفير جهد انهيار أكثر استقرارًا وتقليل زمن الاستجابة. مع ذلك، قد تتميز هذه الأجهزة بجهود انهيار أعلى وأزمنة استجابة أطول من المقاومات المتغيرة. لكنها قادرة على التعامل مع تيارات أعطال أعلى بكثير، ومقاومة ضربات الجهد العالي المتكررة (مثل الصواعق ) دون تدهور ملحوظ.

توفر أجهزة المقاومة المتغيرة متعددة الطبقات (MLV) الحماية من التفريغ الكهروستاتيكي للدوائر الإلكترونية من العابرين ذوي الطاقة المنخفضة إلى المتوسطة في المعدات الحساسة التي تعمل بجهد 0-120 فولت تيار مستمر. وتتراوح معدلات التيار القصوى من حوالي 20 إلى 500 أمبير، ومعدلات الطاقة القصوى من 0.05 إلى 2.5 جول.

• الفيوز القابل لإعادة الضبط ، وهو جهاز حساس للتيار
• تريسيل

• أساسيات MOVs ( مؤرشفة بتاريخ 5 يناير 2011 على موقع Wayback Machine) - ملاحظات تطبيقية من شركة Littelfuse 
• اختبار المقاومات المتغيرة (Varistor) - مؤرشف بتاريخ 5 يناير 2011 على موقع Wayback Machine من شركة Littelfuse