تعریف مقاومت
مقاومت (Resistor) قطعه‌ای الکترونیکی است که یک مقاومت (Resistance) الکتریکی مشخص و معمولاً ثابت دارد. مقاومت الکتریکی جریان الکترون‌های یک مدار را محدود می‌کند. مقاومت‌ها قطعاتی پسیو هستند؛ به این معنی که فقط توان مصرف می‌کنند و نمی‌توانند آن را تولید کنند. این قطعات معمولاً به قسمت‌های اکتیو مدار مانند آپ‌امپ‌ها، میکروکنترلرها و سایر مدارهای مجتمع نیز اضافه می‌شوند. از مهم‌ترین نقش‌های مقاومت‌ها در مدار می‌توان به محدود کردن جریان، تقسیم ولتاژ و ..... اشاره کرد.
واحد اندازه‌گیری مقاومت‌ها
مقاومت الکتریکیِ یک مقاومت برحسب اهم اندازه‌گیری می‌شود. نماد اهم، حرف یونانی اُمگای بزرگ یا ΩΩ است. یک امگا برابر است با مقاومت بین دو نقطه که اختلاف پتانسیل یک ولت به آنها اعمال می‌شود و جریان یک آمپر از آنها می‌گذرد.
نماد مداری مقاومت الکتریکی
همان‌طور که می‌دانیم، مقاومت‌ها قطعاتی با دو سر هستند و نماد آنها در مدار به یکی از دو شکل زیر است.
توان مقاومت‌ها
توان یکی از پارامترهای مهم در مقاومت‌ها است که به ویژه در هنگام انتخاب مقاومت‌ها باید آن را در نظر گرفت. توان نرخ مصرف انرژی است و با ضرب اختلاف ولتاژ بین دو نقطه و جریان گذرنده از آن به دست می‌آید. واحد اندازه‌گیری توان، وات (W) است.
انواع مقاومت‌ها از نظر ظاهر
مقاومت‌ها در شکل‌ها و اندازه‌های متنوعی وجود دارند. از نظر نحوه نصب، مقاومت‌ها در دو نوع «سوراخ کامل» (Plated Through-Hole) یا PTH یا «فناوری نصب سطحی» (Surface-Mount Technology یا Surface-Mount Device) یا SMT/SMD موجودند.
مقاومت‌های سوراخ کامل پایه‌های بلندی دارند که فلز آنها قابلیت خم شدن دارد و می‌توان آن را به صورت دستی روی برد مدار چاپی یا PCB نصب کرد.پایه‌های بلند این مقاومت‌ها معمولاً بعد از نصب کوتاه می‌شوند تا فضای کمتری اشغال شود.
مقاومت‌های نصب سطحی معمولاً به صورت مستطیلی سیاه هستند که از دو طرف نقره‌ای، درخشان و رسانا هستند و ضخامت کمتری دارند. لبه مقاومت‌های SMD رسانا است.
انواع مقاومت های الکتریکی از نظر کاربرد
بر اساس کاربرد دو نوع مقاومت وجود دارد:
- مقاومت ثابت (Fixed Resistors): به مقاومت‌هایی گفته می‌شود که همواره مقدار آنها ثابت و همان مقدار نامی درج شده بر روی مقاومت است. عوامل محیطی و ولتاژهای مختلف تاثیری بر مقدار این مقاومت ندارند.
- مقاومت متغیر (Variable Resistors): مقاومت متغیر، برای تنظیم مقدار مقاومت به منظور کنترل ولتاژ یا جریان مدار یا بخشی از آن به کار می‌رود. این نوع مقاومت‌ها، مقدار ثابتی در مدار ندارند.
مقاومت‌های ثابت، تنها یک مقدار دارند؛ مثلا ۱۰۰ اهم. در همه شماتیک‌ها و دیاگرام‌های مدارهای الکتریکی و الکترونیکی، عمومی‌ترین نماد استفاده شده برای مقاومت ثابت، یک خط زیگ زاگ با مقدار مقاومت بر حسب اهم (Ω) در بالای آن است. مقدار مقاومت می‌تواند از کمتر از یک اهم تا چند میلیون اهم باشد. مقاومت‌های متغیر (پتانسیومترها) می‌توانند بی‌نهایت مقدار مقاومت بین صفر و حداکثر مقدار خود اختیار کنند.
نماد عمومی استفاده شده در شماتیک‌ها و نقشه‌های الکتریکی برای یک مقاومت ثابت، خط زیگ زاگ یا یک جعبه مستطیلی و برای مقاومت متغیر یک خط زیگ زاگ با یک فلش مورب یا عمودی بالای آن است.
نماد مقاومت متغیر و ثابت
انواع مقاومت ثابت از نظر نحوه ساخت
انواع مقاومت ثابت را می‌توان به چهار دسته زیر تقسیم کرد:
- مقاومت‌های ترکیب کربنی که از چسب غبار کربن یا گرافیت ساخته می‌شوند. از این مقاومت‌ها برای توانهای پایین استفاده می‌شود.
- مقاومت‌های فیلم فلزی که ساخته شده از چسب اکسید فلزی رسانا هستند. از این مقاومت‌ها در توانهای بسیار پایین استفاده می‌شود.
- مقاومت‌های سیم‌پیچی شده که مقاومت‌های استفاده شده در هیت سینک هستند و در توان بالا کاربرد دارند.
- مقاومت‌های نیمه‌هادی که با استفاده از تکنولوژی نصب سطحی فیلم نازک ساخته می‌شوند و برای دقت و فرکانس بالا کاربرد دارند.
انواع مختلفی از مقاومت‌های ثابت یا متغیر با طریقه ساخت متفاوت برای هر یک از آنها موجود است. این مقاومت‌ها، مشخصات و مزایا و معایب خاص خود را دارند. در ادامه، پر استفاده‌ترین و رایج‌ترین انواع مقاومت‌ها را بررسی می‌کنیم.
مقاومت ترکیب کربنی
«مقاومت‌های کربنی» (Carbon Resistance) پر استفاده‌ترین و ارزان‌ترین نوع مقاومت‌های ترکیبی هستند. این مقاومت‌ها در مدارهای الکترونیکی و الکتریکی کاربرد فراوانی دارند. عنصر مقاومتی این مقاومت‌ها، از ترکیبی از گرد کربن یا گرافیت (مثل نوک مداد) تشکیل شده است. همچنین در ترکیب آنها، پودر غیر رسانای سرامیک (خاک رس) نیز برای چسباندن گرد کربن به کار می‌رود.
مقاومت ترکیب کربن
نسبت گرد کربن به سرامیک (هادی به عایق) نشان‌دهنده مقدار مقاومتی ترکیب است. هرچه مقدار کربن بیشتر باشد، مقاومت کمتر است. در نهایت، این ترکیب را به شکل استوانه‌ای در می‌آورند. دو سر مقاومت به ۲ قطعه رسانای کلاهی‌شکلِ دارای پایه متصل می‌شود که پایه‌های قطعه را تشکیل می‌دهند. با این پایه‌ها می‌توان قطعه را روی بُرد لحیم کرد. در نهایت، عایق و پوششی، روی مقاومت را می‌پوشاند و سپس کدهای رنگی، روی آن درج می‌شود.
از مقاومت کربنی برای توانهای پایین تا متوسط استفاده می‌شود. این نوع مقاومت، مقدار اندوکتانس پایینی دارد. به این ترتیب، این مقاومت برای کاربردهای فرکانس بالا بسیار مناسب است. اما از نقاط ضعف مقاومت‌های ترکیب کربنی می‌توان به نویز و ناپایداری در دماهای بالا اشاره کرد. به همین دلیل، از این مقاومت‌ها در مدارهایی که حساسیت و دقت بالا مورد نیاز است، کمتر استفاده می‌شود.
نام مقاومت‌های ترکیبی کربنی، با پیشوند (CR) نوشته می‌شوند (مثلا CR10kΩCR10kΩ). این نوع مقاومت‌ها در انواع مختلفی مانند E6 (تلرانس یا دقت ۲۰ درصد)، E12 (تلرانس ۱۰ درصد) و E24 (تلرانس ۵ درصد) تولید می‌شوند. توان قابل تحمل آنها از ۰.۲۵ وات تا ۰.۵ وات است.
مقاومت‌های ترکیبی کربنی، ارزان هستند و به همین دلیل، بیشترین استفاده را در مدارهای الکتریکی دارند. این مقاومت‌ها، به دلیل فرایند تولید، تلرانس بسیار بزرگی دارند (دقت نسبتا پایینی دارند). به همین دلیل، برای دقت بیشتر و همچنین مقادیر بزرگتر مقاومت، از مقاومت‌های فیلمی استفاده می‌شود.
مقاومت فیلمی
عبارت کلی «مقاومت فیلمی» (Film Resistor)، برای مقاومت‌های مختلفی از جمله فیلم کربنی، فیلم فلزی و فیلم اکسید فلزی به کار برده می‌شود. در حالت کلی، این نوع مقاومت‌ها با ته‌نشین کردن فلز خالص روی یک سرامیک عایق یا زیرلایه ساخته می‌شوند. فلزهای خالص به کار برده شده در ساخت این مقاومت‌ها عبارتند از: نیکل و فیلم اکسید فلز، مانند اکسید قلع.
مقدار مقاومت مقاومت‌های فیلمی، با افزایش ضخامت فیلم ته‌نشین شده روی عایق، زیاد می‌شود. بنابراین دو نوع کلی مقاومت با نام‌های «مقاومت‌های فیلم ضخیم» (Thick-Film Resistors) و «مقاومت‌های فیلم نازک» (Thin-Film Resistors) داریم.
هنگامی که فلز روی عایق ته‌نشین می‌شود، از یک لیزر با دقت بالا برای ایجاد شیارهای مارپیچی روی این فیلم فلزی استفاده می‌شود (مانند اینکه یک سیم طویل را به شکل یک سیم‌پیچ دربیاوریم). برش فیلم، باعث افزایش مسیر مقاومتی یا هدایتی ماده خواهد شد.
مقاومت فیلمی
این روشِ ساخت، در مقایسه با انواع مقاومت‌های ترکیب کربنی، باعث رسیدن به تلرانس بسیار کمتر می‌شود (یک درصد یا کمتر).
تلرانس یک مقاومت، اختلاف بین مقدار پیش‌بینی شده برای مقاومت (مثلا 100 اهم) و مقدار ساخته شده آن (مثلا 103.6 اهم) است. این تلرانس به صورت درصدی بیان می‌شود. برای مثال تلرانس ۵ درصد یا ۱۰ درصد. در مثال گفته شده، مقدار تلرانس برابر ۳.۶ درصد است. همچنین، مقاومت‌های فیلمی در مقایسه با انواع دیگر مقاومت‌ها، می‌توانند به مقدار اهمی بسیار بالاتری (مثلا ده میلیون اهم) برسند.
مقاومت فیلم فلزی
مقاومت‌های فیلم فلزی در مقایسه با مقاومت‌های فیلم کربنی، پایداری دمایی بالاتر و نویز پایین‌تری دارند. همچنین این نوع مقاومت‌ها برای کاربردهای فرکانس بالا یا فرکانس رادیویی، مناسب‌تر هستند. مقاومت‌های اکسید فلز، در مقایسه با مقاومت‌های فیلم فلزی، قابلیت تحمل «جریان ضربه‌ای» (Surge Current) بالاتر و درجه‌بندی دمایی بهتری دارند.
مقاومت‌های فیلم ضخیم، با ته‌نشین کردن چسب هدایتی بسیار ضخیمی از سرامیک و فلز روی زیرلایه‌ای از جنس سرامیک و اکسید آلومینیوم، ساخته می‌شوند. این نوع مقاومت‌ها را «سِرمِت» (Cermet) می‌نامند. مقاومت‌های سِرمِت، مشخصاتی مشابه با مقاومت‌های فیلم فلزی دارند. به طور کلی، از این نوع مقاومت‌ها در ساخت مقاومت‌های تراشه‌ای و شبکه‌های چند مقاومتی پیاده شده روی برد مدار چاپی (PCB) و مقاومت‌های فرکانس بالا استفاده می‌شود.
این نوع مقاومت‌ها، پایداری حرارتی مناسب و نویز پایینی دارند. توانایی تحمل ولتاژهای بالا در مقاومت‌های فیلم فلزی، بالا است، اما قابلیت تحمل جریان ضربه‌ای در آنها کم است.
مقاومت فیلم فلز
نام‌گذاری مقاومت‌های فیلم فلزی، با پیشوند (MFR) انجام می‌شود. (مثلا MFR100 کیلو اهم) و برای انواع کربنی از پیشوند CF استفاده می‌شود. مقاومت‌های فیلم فلزی در انواع E24 (تلرانس ۵ درصد و ۲ درصد)، E96 (تلرانس یک درصد) و E192 (با تلرانس نیم درصد و 0.25 درصد و ۰.۱ درصد) ساخته می‌شوند. توان قابل تحمل این نوع مقاومت‌ها نیز از ۰.۰۵ وات تا 0.5 وات است. در حالت کلی، مقاومت‌های فیلمی و به خصوص مقاومت‌های فیلم فلزی در کاربردهای توان پایین استفاده می‌شوند.
مقاومت آجری
مقاومت آجری نیز یکی از انواع مقاومت‌های ثابت است که برای تحمل توانهای بالا داخل یک پوشش سرامیکی قرار می‌گیرد و زیر این پوشش‌های سرامیکی، با نوع خاصی از عایق پر می‌شود. این مقاومت‌ها از ۱ وات تا ده‌ها وات در بازار موجود هستند.
مقاومت آجری
نکته حائز اهمیت در مورد مقاومت‌های آجری، این است که ممکن است در هنگام کار، تا حد زیادی گرم یا داغ شوند و در هنگام طراحی مدار باید محل مناسبی برای نصب آنها در نظر گرفته شود.
مقاومت آرایه‌ای
امروزه، کاهش هرچه بیشتر فضای اشغال شده توسط مدارها، از اصول اولیه هر طراحی است. مقاومت‌های آرایه‌ای، شامل چند مقاومت در یک بسته هستند. در این مقاومت‌ها، به منظور کاهش فضا، معمولا یک پایه مشترک بوده و هر پایه دیگر دارای مقدار مقاومت مشخصی است. در بعضی از انواع مقاومت‌های آرایه‌ای، هر دو پایه یک مقاومت متفاوت را تشکیل می‌دهند. از این نوع مقاومت‌ها می‌توان به سادگی برای pull-up یا push-down ورودی و خروجی‌های منطقی بهره گرفت. از مقاومت های آرایه‌ای، هنگامی که تعدادی مقاومت معمولا با مقدار یکسان در کنار یکدیگر نیاز است، استفاده می‌شود. یک مثال رایج از این کاربردها، راه‌اندازی نمایشگرهای سِوِن سگمنت است.
مقاومت آرایه‌ای و کاربرد آن در سون سگمنت
مقاومت نصب سطحی یا SMD
نوعی دیگر از مقاومت‌ها که بر روی مدارات الکترونیکی لحیم کاری می‌شود مقاومت نصب سطحی (Surface-mount devices) یا SMD است. این نوع مقاومت در بردهای مدار چاپی با رنگ مشکی و چند عدد در وسط و رنگ نقره‌ای (قسمت لحیم شده) در دو طرف آن نشان داده می‌شوند.
انواع مقاومت SMD
مقاومت سیم‌پیچی شده
نوع دیگری از مقاومت‌ها، به نام «مقاومت سیم‌پیچی شده» (Wire-Wound Resistor) شناخته می‌شود. این نوع مقاومت، از پیچیدن آلیاژی از سیم نازک فلزی (نیکروم که ترکیب نیکل و کروم است) یا فلز مشابه، به صورت مارپیچی به دور عایق سرامیکی ساخته می‌شود.
مقاومت‌های سیم‌پیچی شده، به دلیل انعطاف در ضخامت سیم فلزی مورد استفاده و تعداد دور ممکن روی عایق، مقادیر مختلفی دارند (از یک صدم اهم تا صد کیلواهم). همچنین این نوع مقاومت‌ها خطای بسیار پایینی دارند و به همین دلیل، برای اندازه‌گیری مدارها و استفاده در پل وتستون بسیار مناسب هستند. مقاومت‌های سیم‌پیچی شده، قابلیت تحمل جریان‌های الکتریکی بسیار بالاتری نسبت به سایر مقاومت‌ها دارند (در یک اندازه یکسان).
از دیگر کاربردهای این مقاومت‌های توان بالا، استفاده در هیت سینک است. مقاومت‌های سیم‌پیچی شده که در هیت سینک استفاده می‌شوند، «مقاومت‌های نصب شده روی شاسی» (Chasis Mounted Resistors) نامیده می‌شوند، زیرا برای نصب روی هیت سینک یا صفحه‌های فلزی مورد استفاده قرار می‌گیرند تا گرمای تولید شده را پراکنده کنند. نصب مقاومت روی هیت سینک، توانایی حمل جریان را افزایش می‌دهد.
نوع دیگری از مقاومت‌های سیم‌پیچی شده، مقاومت سیم‌پیچی شده توان است. مقاومت‌های سیم‌پیچی شده توان، مقاومت‌هایی با تحمل توانی و دمایی بالا و غیر سلفی هستند و با پوششی از جنس شیشه یا لعاب شیشه‌ای پوشانده می‌شوند. کاربرد این نوع مقاومت‌ها، در بانک‌های مقاومتی و سرووموتورهای DC و ترمز دینامیکی است. همچنین از این مقاومت‌ها می‌توان به عنوان گرم‌کننده توان پایین نیز استفاده کرد.
در مقاومت‌های سیم‌پیچی شده، یک سیم مقاومتی غیرسلفی به دور یک چنبره سرامیکی یا چینی پوشانده شده با میکا پیچیده می‌شود. به این ترتیب، سیم‌های آلیاژی هنگام داغ شدن حرکت نخواهند کرد. مقاومت‌های سیم‌پیچی شده در اندازه‌ها و توانهای مختلفی استفاده می‌شوند. یکی از کاربردهای اساسی این مقاومت‌ها در المنت‌های گرمایشی بخاری الکتریکی است. این مقاومت، جریان الکتریکی عبوری از خود را به گرما تبدیل می‌کند.
از آنجا که سیم مورد استفاده در مقاومت‌های سیم‌پیچی شده به صورت سیم‌پیچ است، خاصیت سلفی ایجاد می‌شود. به این ترتیب، علاوه بر مقاومت، اندوکتانس نیز وجود دارد. این اندوکتانس به خصوص در مقاومت‌های با اندازه بزرگتر، در مدارهای AC و در فرکانس‌های بالا، موجب تغییر فاز می‌شود. بنابراین، امپدانس کلی (Z)، جمع مقاومت ظاهری DC و اندوکتانس سری است. امپدانس Z، ترکیب آثار مقاومت (R) و اندوکتانس (X) سری با آن در مدار AC است. بنابراین، داریم:
Z2=R2+X2Z2=R2+X2
هنگام استفاده از مقاومت‌های سیم‌پیچی شده در مدارهای AC، مقدار این اندوکتانس با فرکانس تغییر می‌کند (راکتانس سلفی XL=2πfLXL=2πfL). بنابراین مقدار کلی مقاومت تغییر خواهد کرد. راکتانس سلفی، با فرکانس افزایش پیدا می‌کند، اما در فرکانس صفر (DC) برابر صفر است.
مقاومت سیم‌پیچی شده
بنابراین، از مقاومت‌های سیم‌پیچی شده در مدارهای AC یا مدارهای تقویت کننده، استفاده نمی‌شود، زیرا فرکانس در مقاومت دائما تغییر می‌کند. هرچند، مقاومت‌های سیم‌پیچی شده با طراحی خاص بدون خاصیت سلفی نیز در دسترس هستند.
مقاومت‌های سیم‌پیچی شده را با پیشوند (WH) یا (W) نشان می‌دهند. (مثلا WH10ΩWH10Ω) و در دو نوع پوشش داده شده با آلومینیوم (با تلرانس 1 درصد و ۲ درصد و ۵ درصد و ۱۰ درصد) و لعاب شیشه‌ای (۱ درصد و ۲ درصد و ۵ درصد) موجود هستند.
انواع مقاومت‌های متغیر
مقاومت‌های متغیر، مقاومت‌هایی هستند که مقدار آنها در مدار قابل تغییر است. همچنین بر خلاف مقاومت‌های آرایه‌ای که در دسته‌بندی مقاومت‌های ثابت قرار می‌گیرند و مقادیر گسسته‌ای دارند، مقدار این مقاومت‌ها می‌تواند هر عددی داشته باشد. مقاومت‌های متغیر خود به دو دسته مقاومت‌های مستقل و مقاومت‌های وابسته تقسیم می‌شوند.
مقاومت‌های مستقل
مقاومت‌های مستقل، نوعی از مقاومت‌ها هستند که به متغیرهای محیطی از جمله دما و نور وابسته نیستند ٰو مقدار آنها متناسب با نیاز مدار به طور دستی قابل تنظیم است؛ به این ترتیب که به کمک اهرم کوچکی که به بدنه آنها متصل است، می‌توان مقدار مقاومت مشخصی را از بازه موجود انتخاب کرد. این نوع مقاومت‌ها خود به دو دسته تقسیم می‌شوند:
- پتانسیومتر:
- پتانسیومتر سه پایه دارد که دو پایه آن، در طرفین ثابت هستند. این دو پایه به یک المان مقاومتی متصل هستند که مقدار آن همان مقدار نامی مقاومت است. پایه میانی نیز به یک محور متحرک متصل است که روی المان مقاومتی حرکت می‌کند و باعث تغییر مقاومت بین پایه وسط و دو پایه در طرفین می‌شود. از پتانسیومتر برای رسیدن به پتانسیل دلخواه استفاده می‌شود.
پتانسیومتر
- رئوستا:
- رئوستا، یک المان مقاومتی، یک کنتاکت متحرک و یک کنتاکت ثابت دارد که در مدارهای الکتریکی برای تغییر جریان (دستیابی به جریان دلخواه) به کار می‌رود.
رئوستا
مقاومت‌های وابسته
مقاومت‌های وابسته، انواعی از مقاومت‌ها هستند که به متغیرهای محیطی از جمله دما، رطوبت، نور، میدان مغناطیسی و ولتاژ وابسته هستند. مقاومت‌های وابسته، با توجه به این متغیرها انواع مختلفی دارند:
- مقاومت وابسته به ولتاژ (وریستور)
- مقاومت وابسته به حرارت (ترمیستور)
- مقاومت وابسته به نور (LDR)
- مقاومت وابسته به میدان مغناطیسی (MDR)
جمع‌بندی
مقاومت‌های الکتریکی انواع مختلفی دارند. از مقاومت‌های الکتریکی کربنی گرفته تا مقاومت‌های فیلمی و مقاومت‌های توان بالا. وظیفه مقاومت، تنظیم یا محدود کردن جریان در یک مسیر خاص یا ایجاد اختلاف ولتاژ در مدار است. قابلیت مقاومت برای محدود کردن جریان، مقدار مقاومت نام دارد و بر حسب اهم (ΩΩ) نشان داده می‌شود. مقدار مقاومت می‌تواند از یک اهم تا چند میلیون اهم (مگا اهم) باشد. این قطعه می‌تواند مقدار ثابتی مثل 100 اهم داشته باشد یا متغیر باشد (مثلا 0 تا 100 اهم). با تغییر فرکانس منبع تغذیه از DC تا فرکانس‌های خیلی بالا، مقدار مقاومت تغییر نمی‌کند. مقدار مقاومت، همواره مثبت است و منفی نیست.
کاربردهای یک مقاومت در مدارهای الکتریکی یا الکترونیکی بسیار گوناگون است. در هر مدار الکتریکی از یک طراحی خاص برای مقاومت استفاده می‌شود. اما کاربرد عمومی مقاومت‌ها در محدود کردن جریان است. مقاومت می‌تواند برای کنترل ولتاژ در قطعات نیمه‌هادی مثل ترانزیستورهای دوقطبی به کار برده شود. همچنین از مقاومت می‌توان برای تنظیم یا محدود کردن پاسخ فرکانسی در مدار یک فیلتر استفاده کرد. در مدارهای دیجیتال، انواع مختلفی از مقاومت‌ها برای افزایش یا کاهش ولتاژ در پین ورودی چیپ دیجیتال استفاده می‌شود.
دیدگاه خود را بنویسید