เทอร์มิสเตอร์และวาริสเตอร์

 เทอร์มิสเตอร์และวาริสเตอร์ 

1.โครงสร้างและสัญลักษณ์ของเทอร์มิสเตอร์

            เทอร์มิสเตอร์มาจากคำว่า Thermo + Resistor คำว่า Thermo นั้นหมายถึง ความร้อน ดังนั้น เทอร์มิสเตอร์จึงเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า “ตัวต้านทานความร้อน” (Thermal Resistor) เป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่ทำมาจากโลหะออกไซด์ เช่น แมงกานีส, นิกเกิล, โคบอลด์, ทองแดงและยูเรเนียม เป็นต้น โดยสารเหล่านี้จะมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ดังนั้น

ไทริสเตอร์จึงมีคุณสมบัติที่เปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานตามอุณหภูมิโดยใช้ตัวย่อ “TH”

รูปที่ 1 แสดงสัญลักษณ์และรูปร่างของเทอร์มิสเตอร์

                เทอร์มิสเตอร์โดยทั่วไปจะมีลักษณะเป็นเม็ดลูกปัดขนาดเล็กๆ จนถึงขนาด 1 นิ้ว และอีกแบบจะเป็นแบบแท่งยาวประมาณ 1/4 – 2 นิ้ว ส่วนค่าความต้านทานของเทอร์มิสเตอร์นั้นจะมีค่าโดยประมาณอยู่ในช่วง

2. ชนิดของเทอร์มิสเตอร์

1.       NTC (Negative Temperature Coefficient) เป็นเทอร์มิสเตอร์แบบที่ค่าความต้านทานจะลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น

2.       PTC (Positive Temperature Coefficient) เป็นเทอร์มิสเตอร์แบบที่ค่าความต้านทานจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น

รูปที่ 2 แสดงกราฟคุณสมบัติของเทอร์มิสเตอร์ชนิด NTC และ PTC

3. วาริสเตอร์ (Varistor)

                วาริสเตอร์ (Varistor) หรือนิยมเรียกชื่อย่อ VDR (Voltage Dependence Resistor) คือ ตัวต้านทานที่แปรค่าตามค่าแรงดัน วาริสเตอร์จัดเป็นตัวต้านทานที่ไม่เป็นเชิงเส้นโรงสร้างภายในลิตมาจากสารกึ่งตัวนำ ซิลิกอนคาร์ไบด์ (Sic) , สังกะสีออกไซด์ (Zno2) หรือไททาเนียมออกไซด์ (Tio2) โดยบดสารเหล่านี้ให้เป็นเซรามิก

รูปที่ 3 แสดงสัญลักษณ์และรูปร่างของวาริสเตอร์

                ลักษณะเด่นของตัวต้านทานที่แปรค่าตามแรงดันนี้คือ คุณสมบัติระหว่างความต้านทานต่อแรงดันนั้นจะสมมาตรกันและไม่ขึ้นกับขั้วของแรงดันด้วย ดังรูปที่ 4 ถึงแม้ว่าในความเป็นจริงแล้วหน้าสัมผัสเดี่ยวใดๆ ของสารที่ใช้ทำตัวต้านทานจะยอมให้กระแสไหลผ่านได้ทางเดียวก็ตาม แต่การกระจายอย่างไม่เป็นระเบียบของหน้าสัมผัสจำนวนมากซึ่งต่ออนุกรมและขนานกันมีผลทำให้เกิดการเรียงกระแสในทิศทางตรงกันข้ามมีจำนวนเท่าๆ กัน ดังนั้นตัวต้านทานชนิดนี้จึงสามารถนำไปใช้งานที่เกี่ยวกับไฟกระแสสลับ ซึ่งไดโอดที่นิยมนำมาใช้ป้องกันไม่สามารถใช้งานได้ การทำงานของวาริสเตอร์นั้นสามารถทำความเข้าใจได้ง่ายโดยพิจารณาว่าเป็นซีเนอร์ไดโอดสองตัวต่อหลังชนกัน เมื่อค่าแรงดันที่ป้อนให้วาริสเตอร์ต่ำกว่าค่าที่กำหนดไว้ กระแสจะไหลได้น้อยเนื่องจากค่าความต้านทานที่สูง เมื่อแรงดันเพิ่มขึ้นค่าความต้านทานจะลดลงและกระแสจะเพิ่มขึ้นเป็นลักษณะคลื่น เอกซ์โพเนนเชียล (Exponential) ดังรูปที่ 4

รูปที่ 4 กราฟความสัมพันธ์แรงดัน ความต้านทานและกระแสของวาริสเตอร์

               

   

ส่วนผสม		ช่วงแรงดัน	การนำไปใช้งาน
สังกะสีออกไซด์ (Zno)	0.025	50 – 500 V	การจัดสัญญาณรบกวนที่เป็นพัลส์กำลังงานสูง
ซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC)	0.3	5 – 25 KV	การใช้งานต่อเนื่อง เช่น ในวงจรรักษาระดับแรงดัน
ไททาเนียมออกไซด์ (TiO2)	0.25	27 – 70 V	ป้องกันอุปกรณ์ที่มีระดับแรงดันต่ำ

ตารางที่ 1 วาริสเตอร์ชนิดต่างๆ

 ความสัมพันธ์ระหว่างค่าแรงดัน (V) และกระแส (I) ของวาริสเตอร์สามารถอธิบายได้ด้วยสมการ

                                                                        

                เมื่อ         V  คือ ค่าของแรงดันไฟฟ้า               มีหน่วยเป็นโวลต์ (V)

                                 I   คือ ค่ากระแสไฟฟ้า                      มีหน่วยเป็นแอมแปร์ (A)

                                 C และ  เป็นค่าคงที่ของสารที่ใช้ทำตัวต้านทาน

                ในทางปฏิบัติค่าของ C อยู่ในช่วง 14 จนถึง 3000 การเลือกใช้ชนิดของวาริสเตอร์ให้เหมาะสมกับงานนั้น ไม่จำเป็นที่เราต้องรู้คุณสมบัติของมันอย่างแท้จริงเพียงแต่รู้ข้อมูลบางอย่างเช่น

1.       ระดับแรงดันช่วงที่วาริสเตอร์เริ่มทำงาน ซึ่งความแหลมของช่วงแรงดันนี้เป็นคุณสมบัติที่ขึ้นอยู่กับสารที่ใช้ทำ ยกตัวอย่างเช่น วาริสเตอร์ที่ทำจากสังกะสีออกไซด์ จะมีช่วงแรงดันที่แหลมกว่าชนิดที่ทำจากซิลิกอนคาร์ไบด์ ส่วนวาริสเตอร์ที่ทำจากไททาเนียมออกไซด์จะมีช่วงแรงดันค่อนข้างต่ำ ประมาณ 2.7 โวลต์ แรงดันช่วงที่วาริสเตอร์เริ่มทำงานนี้จะถูกกำหนดมา สำหรับค่ากระแสที่เหมาะสมซึ่งขึ้นอยู่กับค่าของวาริสเตอร์

2.     ค่าคงที่นี้มีค่าน้อยมากสำหรับวาริสเตอร์ที่ทำจากสังกะสีออกไซด์ ซึ่งหมายความว่า ถึงแม้ว่าจะเพิ่มค่าแรงดันเป็นจำนวนน้อยแต่จะก่อให้เกิดการเพิ่มขึ้นของกระแสอย่างมากมาย

3.       การใช้งานอย่างต่อเนื่อง ซึ่งมีความสำคัญเมื่อใช้วาริสเตอร์ในวงจรรักษาระดับแรงดันหรือวงจรที่มีอัตราการส่งพัลส์อย่างเร็วมาก

การประยุกต์ใช้งาน

                วาริสเตอร์นั้นถูกนำไปใช้ในการกำจัดสัญญาณรบกวนที่เป็นพัลส์กำลังงานสูงโดยเฉพาะเช่น พัลส์รบกวนที่เกิดจากฟ้าผ่า หรืออื่นๆ ที่เกิดขึ้นในวงจรที่มีตัวเหนี่ยวนำถูกเปิดวงจร การตัดต่อนี้อาจจะเป็นผลจากสวิตช์ ฟิวส์หรือจากสารกึ่งตัวนำที่เป็นไทริสเตอร์ เราอาจจะคิดว่าไม่มีปัญหาเกิดขึ้นเนื่องจากอุปกรณ์นี้จะเปิดวงจรเฉพาะจุดที่แรงดันของแหล่งจ่ายไฟฟ้าเท่ากับศูนย์ ดังนั้นจึงไม่น่าที่จะมีแรงดันเหนี่ยวนำเกิดขึ้น ในขณะเดียวกับที่กระแสลดลงต่ำกว่าค่ายึด ซึ่งเป็นค่ากระแสที่จำเป็นสำหรับรักษาให้ไทริสเตอร์ยังคงนำกระแสอยู่ ค่ากระแสยึดมีค่าไม่เท่ากับศูนย์ จึงทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำจำนวนเล็กน้อยขึ้นในหลายๆ กรณี พลังงานสนามแม่เหล็กซึ่งเท่ากับ 1/2 LI2 จะถูกกระจายผ่านไดโอดและส่วนของความต้านทานที่เกิดจากการเหนี่ยวนำด้วยตัวเองโดยที่ I เป็นค่ากระแสในขณะตัดวงจรและ L เป็นค่าความเหนี่ยวนำทั้งหมดของวงจรเนื่องจากค่าความเหนี่ยวนำด้วยตัวเอง ส่วนใหญ่แล้วจะเป็นการควบคุมทางด้านไฟกระแสสลับจึงทำให้ไม่สามารถใช้ไดโอดได้ ดังนั้นวาริสเตอร์จึงเป็นหนทางเดียวที่จะแก้ไขปัญหานี้ได้

รูปที่ 6 เมื่อฟิวส์ตัดวงจรแรงดันของแหล่งจ่ายไฟจะสูงขึ้นทันทีทันใด ถ้าไม่มีการป้องกันไว้อุปกรณ์ต่างๆ อาจเสียหายได้

สิ่งที่ควรคำนึงในการเลือกใช้วาริสเตอร์สำหรับงานเฉพาะ   คือ

                1.       แรงดันที่เป็นยอด ซึ่งอุปกรณ์ที่ถูกป้องกันสามารถทนได้โดยไม่เกิดการเสียหายนั้นจะต้องเลือกวาริสเตอร์ที่มีค่าแรงดันเริ่มทำงานต่ำกว่าแรงดันที่เป็นยอดนี้

                2.       ค่าแรงดันสูงสุด (V_P) ที่ตกคร่อมวาริสเตอร์ภายใต้เงื่อนไขปกติ (ในงานเกี่ยวกับไฟกระแสสลับค่า V_P = 1.414 Vrms) เป็นสิ่งที่ต้องจำไว้ว่ากระแสที่ไหลผ่านวาริสเตอร์ที่ระดับแรงดันขนาดนี้จะต้องต่ำกว่า 1 มิลลิแอมป์

                3.       ค่ากระแสทรานซิสเตอร์สูงสุด

                4.       ค่ากำลังงานที่กระจายในตัววาริสเตอร์ ระหว่ามีสัญญาณรบกวนเกิดขึ้นเมื่อตัววาริสเตอร์ต่อคร่อมตัวเหนี่ยวนำอยู่ค่ากำลังงานนี้จะต้องน้อยกว่า 1/2  LI2

                5.       การกระจายกำลังงานเฉลี่ยโดยเฉพาะอย่างยิ่ง ถ้าอัตราส่งพัลส์มีค่าสูงหรือถ้าแรงดันเริ่มทำงานไม่สูงเกินกว่าค่าแรงดันปฏิบัติงานในสภาวะปกติ