مقدمه‌ای کامل بر پایه دیود MOV: راهنمای جامع

‌ MOV (Metal Oxide Varistor) یکی از دستگاه‌های محافظت علیه ولتاژ زائد است که بیشترین کاربرد را دارد. ماده اصلی آن یک نیمه‌رسانا چندبلوره‌ای است که از سرامیک اکسید روی (ZnO) و افزودنی‌ها ساخته شده است. در ادامه، تحلیل سیستماتیکی از اصول، پارامترها، انتخاب و کاربرد ارائه می‌شود:

1. ویژگی‌های اصلی MOV

1.1 ویژگی‌های غیرخطی ولتاژ-جریان

● منطقه ولتاژ پایین: هنگامی که ولتاژ کمتر از حد آستانه است، MOV در حالت مقاومت بالا باقی می‌ماند (جریان رشته‌ای در دامنه میکروآمپر قرار دارد).

● منطقه شکست: وقتی ولتاژ فراتر از حد آستانه (ولتاژ اسمی Vn) می‌رود، مقاومت به طور چشمگیری کاهش می‌یابد و اجازه می‌دهد جریان زیادی برای تخلیه شدن آزاد شود و ولتاژ را محدود می‌کند.

● ولتاژ گیرانده (Vc): معمولاً ۱٫۵ تا ۲ برابر ولتاژ اصلی است، به طوری که زیر ولتاژ اسمی مولفه‌های محافظت شده نگه داشته شود.

۱٫۲ مواد و ساختار

● پایه اکسید روی: دانه‌های ZnO و مرزهای دانه‌ای یک مانع شبیه به «جکشن PN» ایجاد می‌کنند که پاسخ سریعی (در سطح نانوثانیه) فراهم می‌کند.

● ساختار چندلایه: جسم سرامیک چگال شده از طریق خزداندن ظرفیت حمل جریان را با حجم مرتبط می‌کند. به عنوان مثال، سری ۱۴D با قطر ۱۴ میلیمتر می‌تواند جریان‌های تا ۱۰kA را تحمل کند.

۲. پارامترهای کلیدی و انتخاب MOV

2.1 ولتاژ اسمی (Vn)

تعریف: ولتاژ در جریان یکم آمپر (به عنوان مثال 470V)

۲.۲ فرمول انتخاب:

● سیستم AC: Vn ≥ 1.21.5 × ولتاژ منبع RMS (به عنوان مثال، 220V AC 470V را انتخاب می کند).

● سیستم DC: Vn ≥ 1.5 × حداکثر ولتاژ کار مداوم.

● تصور غلط: ولتاژ اسمی "ولتاژ ماشه" نیست؛ ولتاژ واقعی روشن شدن ممکن است بالاتر باشد (به منحنی V-I مراجعه کنید).

۲.۳ جریان اوج (IP)

تعریف: جریان اوج برای یک موج موج 8/20μs استاندارد (به عنوان مثال 10kA).

سطح کاربرد:

2.4 توان دستاورد انرژی (ژول)

● فرمول: E = Vc × IP × t (جایی که t عرض پالس است، معمولاً 20μs در شرایط 8/20μs).

● مثال: با Vc = 800 ولت و IP = 10 کیلو آمپ، انرژی برابر 160 جول است. اطمینان حاصل کنید که انرژی نامگذاری شده MOV بیشتر از انرژی تندپایه واقعی باشد.

2.5 رژیم‌های شکست و طول عمر

● شکست قابلیت اعتماد: پس از تعداد زیادی تندپایه‌ها، جریان فیلترشده افزایش می‌یابد و در نهایت، MOV ممکن است به حالت کوتاه‌شدن برود.

● طراحی ایمنی: از فوزهای دما (TF) یا MOV‌هایی با مکانیسم قطع حرارتی (مانند سری TNR) استفاده کنید تا از حریق ناشی از کوتاه‌شدن جلوگیری شود.

3. نظرات طراحی کاربرد MOV

3.1 طرح مدار

● نصب نزدیک: دیود MOV را نزدیک به انتهای محافظت‌شده (مثلاً ورودی برق) قرار دهید تا مسیر ضربه کوتاه‌تر شود.

● جوش‌بندی پایین‌اندرازی: از خطوط بلند استفاده نکنید که اندرزازی پارازیت اضافه می‌کنند، زیرا می‌تواند ولتاژ باقیمانده را افزایش دهد.

‌● دیکوپلینگ موازی‌: هنگام استفاده با لوله آزادساز گاز (GDT)، مقاومت یا سلف سری مورد نیاز است تا جلوی ادامه جریان و سوز خوردن MOV گرفته شود.

3.2 طراحی حفاظت چند سطحی

● سطح 1 محافظت (ریزش): لوله‌های آزادساز گاز (GDT) یا فاصله‌های شعله‌ای، برای آزادسازی جریان‌های برق جوی.

● سطح 2 محافظت (کلیدزنی): MOVها ولتاژ باقیمانده را به کمتر از 1kV کاهش می‌دهند.

● سطح 3 محافظت (محافظت دقیق): دیودهای TVS ولتاژ را به سطح ایمن برای چیپ‌های حساس (مثل 24V) کلید می‌زنند.

● طراحی معمول: GDT (سطح 1) → MOV (سطح 2) → TVS (سطح 3).

مدیریت حرارت و کاهش ظرفیت 3.3

● کاهش دمای بالا: ظرفیت حمل جریان MOVs برای هر افزایش 25 درجه سانتیگراد در دمای محیط حدود 20٪ کاهش می یابد.

● MOV های موازی: برای کاربردهای پر انرژی، MOV های موازی چندگانه با پارامترهای مطابقت (به عنوان مثال، انحراف Vn ≤ 5٪).

۴. سناریوهای کاربرد معمول و توصیه های مدل

۴.۱ لوازم خانگی (۲۲۰ ولت AC)

● الزامات: سرکوب افزایش برای افزایش شبکه (به عنوان مثال، شروع / توقف تهویه مطبوع).

● انتخاب: 14D471K (Vn = 470V، IP = 6.5kA)، گزینه SMD: S14K275.

4.2 وارون‌سازهای فتوولتائیک (DC 1000V)

● نیاز: محافظت در برابر مبارق در سوی پنل فتوولتائیک، تحمل ولتاژ بالا.

● انتخاب: 34D102K (Vn = 1000V، IP = 40kA).

4.3 الکترونیک خودرو (سیستم‌های 12V/24V)

● نیاز: سرکوب فشار برای تخلیه بار تا 60 ولت.

● انتخاب: SMD نوع V14H360 (Vn = 36V، IP = 200A).

پنجم مسائل و راه حل های رایج

5.1 جریان نشت بیش از حد در MOV

● علت: پیری یا فشار بیش از حد مداوم، تخریب خطوط دانه.

● راه حل: به طور منظم MOV ها را تعویض کنید یا از دیود های TVS برای تقسیم فشار ولتاژ استفاده کنید.

5.2 ولتاژ باقیمانده بالا که به مدار های پس از آن آسیب می رساند

● علت: انتخاب اشتباه MOV (به عنوان مثال، Vn بیش از حد بالا) یا طرح نامناسب.

● راه حل: Vn را کاهش دهید یا یک TVS برای کلیمپ ثانویه اضافه کنید.

5.3 شکست مکرر MOV

● علت: عدم توانایی در مدیریت جریان پیک کافی یا فراتر رفتن از فرکانس سرگرمی مجاز.

● راه‌حل: ارتقاء رتبه IP یا پیاده‌سازی حفاظت چندمرحله‌ای برای بهره‌برداری از انرژی.

6. استانداردهای صنعتی و گواهینامه‌ها

● گواهینامه‌های ایمنی: UL1449 (دستگاه‌های محافظتی در برابر سرگرمی)، IEC 61000-4-5 (آزمون مقاومت نسبت به سرگرمی).

● الکترونیک خودرو: AEC-Q200 (گواهینامه قابلیت اعتماد)، عملکرد در دامنه دما از –40°C تا 150°C.

● تجهیزات ارتباطات: GR-1089-CORE (مقررات محافظت در برابر برق جوی و LSD).

● چکیده: دستگاه MOV به علت هزینه‌ای کارآمد و ظرفیت جریان قابل توجه، به عنوان دستگاه اصلی برای محافظت در برابر ولتاژ بالا استفاده می‌شود، اما باید بر اساس سناریوی کاربردی دقیق انتخاب شود و با طراحی محافظت چند سطحی و دیسیپشن گرما ترکیب شود تا محافظت قابل اعتمادی فراهم آورد. در طراحی واقعی، پیشنهاد می‌شود کارایی راه‌حل از طریق آزمون‌های جریان (مانند 8/20μs، 10/700μs) تأیید شود.