مقاوم الکتریکی: چیست و چه کاربردی دارد؟ (با نمونه ها)

ميدان: Electrical Basics

China

چهارچوب الکتریکی چیست؟

چهارچوب (یا چهارچوب الکتریکی) به عنوان یک عضو الکتریکی غیرفعال دوطرفه تعریف می‌شود که مقاومت الکتریکی برای جریان ارائه می‌دهد. مقاومت، اندازه‌گیری مقاومت در برابر جریان در چهارچوب است. هر چه مقاومت چهارچوب بیشتر باشد، مانع بزرگتری برای جریان ایجاد می‌شود. انواع مختلفی از چهارچوب‌ها وجود دارد، مانند ترمیستور.

در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی، عمل اصلی چهارچوب این است که جریان الکترون‌ها را "مقاومت" کند، یعنی جریان الکتریکی. به همین دلیل آن را "چهارچوب" می‌نامند.

چهارچوب‌ها عناصر الکتریکی غیرفعال هستند. این بدان معناست که آنها نمی‌توانند هیچ انرژی را به مدار تحویل دهند و به جای آن انرژی را دریافت می‌کنند و آن را به صورت گرما تبدیل می‌کنند تا زمانی که جریانی از آن عبور می‌کند.

چهارچوب‌های مختلف در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی برای محدود کردن جریان یا ایجاد فروپاشی ولتاژ استفاده می‌شوند. چهارچوب‌ها در مقادیر مقاومت مختلفی از کسری اهم (Ω) تا میلیون‌ها اهم موجود هستند.

بر اساس قانون اهم، ولتاژ (V) روی یک چهارچوب مستقیماً متناسب با جریان (I) که از آن عبور می‌کند است. که مقاومت R ثابت تناسب است.

چهارچوب چه کاری انجام می‌دهد؟

در مدارهای برقی و الکترونیکی، مقاومت‌ها برای محدود کردن و تنظیم جریان الکتریکی، تقسیم ولتاژ، تنظیم سطح سیگنال‌ها، تحریک عناصر فعال و غیره استفاده می‌شوند.

به عنوان مثال، بسیاری از مقاومت‌ها به صورت سری متصل می‌شوند تا جریان الکتریکی را که از طریق دیود پرتوی نور (LED) می‌گذرد، محدود کنند. نمونه‌های دیگر در زیر بحث شده‌اند.

حفاظت از افزایش ناگهانی ولتاژ

مدار سنبر جایی است که ترکیب سری یک مقاومت و یک خازنه با تریستور به صورت موازی متصل می‌شود تا افزایش سریع ولتاژ روی تریستور را کاهش دهد. این مدار به عنوان مدار سنبر شناخته می‌شود که برای حفاظت تریستور در برابر ولتاژ بالا استفاده می‌شود. $\frac{dv}{dt}$ .

مقاومت‌ها همچنین برای حفاظت از چراغ‌های LED در برابر افزایش ناگهانی ولتاژ استفاده می‌شوند. چراغ‌های LED به جریان الکتریکی بالا حساس هستند و بنابراین بدون استفاده از مقاومت برای کنترل جریان الکتریکی از طریق LED، آسیب می‌بینند.

فراهم کردن ولتاژ مناسب با ایجاد کاهش ولتاژ

هر عنصر در یک مدار برقی، مانند یک چراغ یا یک کلید، ولتاژ خاصی نیاز دارد. برای این منظور، مقاومت‌ها برای فراهم کردن ولتاژ مناسب با ایجاد کاهش ولتاژ در اطراف عناصر استفاده می‌شوند.

چه مقدار مقاومت الکتریکی (واحد مقاومت) اندازه‌گیری می‌شود؟

واحد SI برای مقاومت (مقاومت الکتریکی که در آن اندازه‌گیری می‌شود) اهم است و با Ω نمایش داده می‌شود. واحد اهم (Ω) به افتخار فیزیکدان و ریاضیدان بزرگ آلمانی گئورگ سیمون اهم نامگذاری شده است.

در سیستم SI، یک اهم برابر با یک ولت بر آمپر است. بنابراین،

$\begin{align*} 1\,\,Ohm = 1 \frac{Volt}{Ampere} \end{align*}$

بنابراین، مقاومت همچنین با ولت بر آمپر اندازه‌گیری می‌شود.

مقاومت‌ها در محدوده‌ای گسترده از مقادیر تولید و مشخص می‌شوند. بنابراین، واحدهای مشتق شده مقاومت‌ها بر اساس مقادیر آن‌ها ساخته می‌شوند، مانند میلی‌اهم (1 mΩ = 10-3 Ω)، کیلو‌اهم (1 kΩ = 103 Ω) و مگا‌اهم (1 MΩ = 106 Ω) و غیره.

نماد مداری مقاومت الکتریکی

دو نماد مداری اصلی برای مقاومت‌های الکتریکی وجود دارد. نماد معمول‌ترین مقاومت یک خط زیگ‌زاگ است که در آمریکای شمالی به طور گسترده استفاده می‌شود.

نماد دیگر مقاومت یک مستطیل کوچک است که در اروپا و آسیا به طور گسترده استفاده می‌شود و این نماد به عنوان نماد بین‌المللی مقاومت شناخته می‌شود.

نماد مداری مقاومت‌ها در تصویر زیر نشان داده شده است.

مقاومت‌های سری و موازی

فرمول مقاومت‌های سری

مدار زیر نشان‌دهنده تعدادی از مقاومت‌های n که به صورت سری متصل شده‌اند است.

اگر دو یا چند مقاومت به صورت سری متصل شوند، آنگاه مقاومت معادل مقاومت‌های سری‌متصل برابر با مجموع مقاومت‌های فردی آنها خواهد بود.

به صورت ریاضی، این به صورت زیر بیان می‌شود

$\begin{align*} R_e_q_. = R_1 + R_2 + ........ + R_n \end{align*}$

$\begin{align*} R_e_q_. = \sum_{i=1}^{n} R_n \end{align*}$

در یک اتصال سری، جریان عبوری از هر مقاومت فردی ثابت می‌ماند (یعنی جریان عبوری از هر مقاومت یکسان است).

مثال

همانطور که در مدار زیر نشان داده شده است، سه مقاومت با مقادیر ۵ اهم، ۱۰ اهم و ۱۵ اهم به صورت سری متصل شده‌اند. مقاومت معادل مقاومت‌های سری‌متصل را پیدا کنید.

حل:

داده‌های داده شده: $R_1 = 5 \,\,\Omega, R_2 = 10 \,\,\Omega$ و $\,\,R_3 = 15 \,\,\Omega$

بر اساس فرمول،

$\begin{align*} \begin{split} & R_e_q_. = R_1 + R_2 + ........ + R_n \\ & = 5 + 10 + 15 \\ & R_e_q_.= 30\,\,\Omega \end{split} \end{align*}$

بنابراین، مقاومت معادل مقاومت‌های سری‌پیوندی ۳۰ اهم است.

(توجه داشته باشید که در نمودار مدار بالا ۲۵ اهم آمده است. این یک خطای تایپی است و پاسخ صحیح ۳۰ اهم است)

فرمول مقاومت‌های موازی

مدار زیر نشان‌دهنده تعدادی از مقاومت‌های n به صورت موازی است.

اگر دو یا چند مقاومت به صورت موازی متصل شوند، مقاومت معادل مقاومت‌هایموازی‌پیوندی برابر با معکوس مجموع معکوس مقاومت‌های فردی است.

به صورت ریاضی، این به صورت زیر بیان می‌شود

$\begin{align*} \frac{1}{R_e_q_.} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + ........ + \frac{1}{R_n} \end{align*}$

$\begin{align*} R_e_q_. = \sum_{i=1}^{n} \frac{1}{R_n} \end{align*}$

در اتصال موازی، ولتاژ جریان‌دهی به هر مقاومت فردی ثابت می‌ماند (یعنی ولتاژ در هر مقاومت یکسان است).

مدارهای مقاومتی (نمونه کاربردها)

مقاومت محدود‌کننده جریان LED

محدود کردن جریان در LED بسیار مهم است. اگر جریان زیادی از طریق LED جریان داشته باشد، آن می‌تواند خراب شود. بنابراین، یک مقاومت محدود‌کننده جریان برای محدود یا کاهش جریان وارد شده به LED استفاده می‌شود.

مقاومت‌های محدود‌کننده جریان به صورت سری با LED متصل می‌شوند تا جریان عبوری از LED را به مقداری ایمن محدود کنند. به عنوان مثال، همانطور که در تصویر زیر نشان داده شده است، مقاومت محدود‌کننده جریان به صورت سری با LED متصل می‌شود.

محاسبه مقدار لازم مقاومت محدود‌کننده جریان

در حین محاسبه مقدار یک مقاومت محدود‌کننده جریان، ما باید سه مشخصه یا مقدار مشخص LED را بدانیم:

ولتاژ پیشرو LED (از نمایه فنی)
حداکثر جریان پیشرو LED (از نمایه فنی)
VS = ولتاژ تغذیه

ولتاژ پیشرو ولتاژ مورد نیاز برای روشن شدن LED است و معمولاً بین ۱.۷ V تا ۳.۴ V متغیر است، بسته به رنگ LED. حداکثر جریان پیشرو جریان مداوم عبوری از LED است و معمولاً حدود ۲۰ mA برای LED‌های پایه‌ای است.

حالا می‌توانیم مقدار لازم مقاومت جریان‌سنج را با استفاده از معادله زیر محاسبه کنیم،

$\begin{align*} R = \frac{V_S - V_F}{I_F} \end{align*}$

که در آن، $V_S$ = ولتاژ تغذیه

$V_F$ = ولتاژ پیشرو

$I_F$ = حداکثر جریان پیشرو

بیایید یک مثال برای محاسبه مقدار لازم مقاومت جریان‌سنج با استفاده از فرمول بالا ببینیم.

مقاومت‌های پل‌بردار

مقاومت‌های پل‌بردار مقاومت‌هایی هستند که در مدارهای منطق الکترونیکی برای اطمینان از وضعیت مشخص سیگنال استفاده می‌شوند.

به عبارت دیگر، مقاومت‌های پل‌بردار برای اطمینان از اینکه یک سیم به سطح منطقی بالا کشیده شود وقتی که هیچ شرط ورودی وجود ندارد، استفاده می‌شوند. مقاومت‌های پل‌پایین عمل مشابه مقاومت‌های پل‌بردار دارند، با این تفاوت که آنها یک سیم را به سطح منطقی پایین می‌کشند.

دستگاه‌های مدرن IC، میکروکنترلرهای و دریچه‌های منطقی دیجیتال دارای پین‌های ورودی و خروجی متعدد هستند و این ورودی‌ها و خروجی‌ها باید به درستی تنظیم شوند. بنابراین، مقاومت‌های pull-up برای اطمینان از تغییر وضعیت صحیح پین ورودی میکروکنترلر یا ورودی دریچه‌های منطقی دیجیتال به حالت مشخص استفاده می‌شوند.

مقاومت‌های pull-up با ترانزیستورها، دکمه‌ها، سوئیچ‌ها و غیره که اتصال فیزیکی اجزای بعدی را به زمین یا VCC قطع می‌کنند، استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، مدار مقاومت pull-up در تصویر زیر نشان داده شده است.

企业微信截图_17101346272890.png — مدار مقاومت pull-up

企业微信截图_17101346341956.png — مدار مقاومت pull-up

همانطور که نشان داده شده است، وقتی سوئیچ بسته است، ولتاژ ورودی (Vin) در میکروکنترلر یا دریچه به زمین می‌رود و وقتی سوئیچ باز است، ولتاژ ورودی (Vin) در میکروکنترلر یا دریچه به سطح ولتاژ ورودی (Vin) بالا می‌برد.

بنابراین، مقاومت pull-up می‌تواند پین ورودی میکروکنترلر یا دریچه را زمانی که سوئیچ باز است، تغییر وضعیت دهد. بدون مقاومت pull-up، ورودی‌های میکروکنترلر یا دریچه در حالت شناور، یعنی در حالت امپدانس بالا خواهند بود.

مقدار معمول مقاومت pull-up ۴٫۷ کیلو اهم است اما می‌تواند بسته به کاربرد متفاوت باشد.

افت ولتاژ روی یک مقاومت

افت ولتاژ روی یک مقاومت ناشی از مقدار ولتاژ روی مقاومت است. افت ولتاژ همچنین به عنوان IR drop نیز شناخته می‌شود.

همانطور که می‌دانیم، یک مقاومت عضو الکتریکی غیرفعال است که مقاومت الکتریکی را برای جریان جریانی فراهم می‌کند. بنابراین، طبق قانون اهم، وقتی جریان از یک مقاومت عبور می‌کند، یک افت ولتاژ ایجاد می‌کند.

از لحاظ ریاضی، کاهش ولتاژ در یک مقاومت می‌تواند به صورت زیر بیان شود،

$\begin{align*} V (Voltage \,\, Drop) = I * R \end{align*}$

علامت برای کاهش‌های IR (کاهش‌های ولتاژ)

برای تعیین علامت کاهش ولتاژ در یک مقاومت، جهت جریان بسیار مهم است.

در نظر بگیرید که یک مقاومت با مقاومت R وجود دارد که جریان (I) از نقطه A به نقطه B می‌گذرد، همان‌طور که در تصویر زیر نشان داده شده است.

بنابراین، نقطه A پتانسیل بالاتری نسبت به نقطه B دارد. اگر از A به B حرکت کنیم، V = I R منفی، یعنی -I R (یعنی کاهش پتانسیل). به طور مشابه، اگر از نقطه B به نقطه A حرکت کنیم، V = I R مثبت، یعنی +I R (یعنی افزایش پتانسیل).

بنابراین، واضح است که علامت کاهش ولتاژ در یک مقاومت به جهت جریان از طریق آن مقاومت بستگی دارد.

کدهای رنگی مقاومت‌ها

کدهای رنگی مقاومت‌ها برای شناسایی مقدار مقاومت و درصد تحمل هر مقاومت استفاده می‌شوند. کدهای رنگی مقاومت‌ها از نوارهای رنگی برای شناسایی استفاده می‌کنند.

همان‌طور که در شکل زیر نشان داده شده است، چهار نوار رنگی روی مقاومت چاپ شده است. سه نوار از آن‌ها کنار هم چاپ شده‌اند و نوار چهارم کمی دورتر از نوار سوم چاپ شده است.

4 band resistor color code — کد رنگی چهار نواری مقاومت

دو باند اول از سمت چپ رقم‌های معنی‌دار را نشان می‌دهند، باند سوم ضریب اعشاری را نشان می‌دهد و باند چهارم تolerans را نشان می‌دهد.

5 band resistor code — کد رنگی مقاومت پنج باندی

جدول زیر رقم‌های معنی‌دار، ضریب اعشاری و tolerans برای رمزگذاری‌های رنگی مختلف مقاومت‌ها را نشان می‌دهد.

نقاط کلیدی:

باند طلا و نقره همیشه در سمت راست قرار دارد.
مقدار مقاومت همیشه از چپ به راست خوانده می‌شود.
اگر باند tolerans وجود نداشته باشد، طرفی که باند نزدیک به یک سرب است را باند اول در نظر بگیرید.

مثال (چگونه مقدار مقاومت را محاسبه کنیم؟)

مانند تصویر زیر، یک مقاومت رنگ‌کدنی کربنی با باند اول سبز، دوم آبی، سوم قرمز و چهارم طلا دارد. مشخصات مقاومت را پیدا کنید.

حل:

بر اساس جدول رمزگذاری رنگی مقاومت‌ها،

سبز	آبی	قرمز	طلایی
۵	۶	۱۰۲	${\pm ۵}{\%}$

$\begin{align} R = 56 10^2 \Omega \SI{\pm 5}{\%} \,\, \end{align*}$

پس، مقاومت برابر است با $5600\,\,\Omega$ با دقت ${\pm 5}{\%}$ .

بنابراین، مقدار مقاومت بین

$5600 + 5 \% = 5600 + 280 = 5880 \,\,\Omega$

$5600 - 5 \% = 5600 - 280 = 5320 \,\,\Omega$

بنابراین، مقدار مقاومت بین $5880\,\,\Omega$ و $5320\,\,\Omega$ است.

کدگذاری با حروف یا کاراکترها (کد RKM)

گاهی اوقات مقاومت‌ها به قدری کوچک هستند که کدگذاری رنگی برای آنها دشوار می‌شود. در چنین مواردی، از کدگذاری با حروف یا کاراکترها برای مشخصات مقاومت‌ها استفاده می‌شود. این کدگذاری نیز به عنوان کد RKM شناخته می‌شود.

حروف استفاده شده برای کدگذاری مقاومت‌ها عبارتند از R، K و M. وقتی یک حرف بین دو عدد اعشاری قرار می‌گیرد، عملکرد آن مانند ممیز اعشاری است. به عنوان مثال، حرف R نشان‌دهنده اهم، K نشان‌دهنده کیلو اهم و M نشان‌دهنده مگا اهم است. حال مثال‌هایی از این موضوع را ببینید.

مقاومت	کد حروفی
۰٫۳ Ω	R3
۰٫۴۷ Ω	R47
۱ Ω	1R0
۱ KΩ	1K
۴٫۷ KΩ	4K7
۲۲٫۳ MΩ	22M3
۹٫۷ MΩ	9M7
۲ MΩ	2M

مثال – کد حرف یا رقم

کارایی به صورت زیر نشان داده می‌شود

کاراکتر	حد مجاز خطا
F	${\pm 1}{\%}$
G	${\pm 2}{\%}$
J	${\pm 5}{\%}$
K	${\pm 10}{\%}$
M	${\pm 20}{\%}$

مثال – مقاوم با کد حروفی:

انواع مقاومت‌ها

انواع مختلفی از مقاومت‌ها وجود دارد که هر کدام خصوصیات منحصر به فرد و موارد استفاده خاص خود را دارند.

دو نوع اساسی از مقاومت‌ها موجود است: مقاومت‌های ثابت و مقاومت‌های متغیر. هر دو نوع در زیر فهرست شده‌اند.

مقاومت‌های ثابت

مقاومت‌های ثابت پرکاربردترین نوع مقاومت هستند. آنها در مدارهای الکترونیکی برای تنظیم و تنظیم شرایط مناسب در مدار استفاده می‌شوند. انواع مقاومت‌های ثابت در زیر فهرست شده‌اند.

مقاومت‌های ترکیبی کربن (مقاومت‌های کربنی)
مقاومت‌های کربنی پیلی
مقاومت‌های فیلم کربنی
ترمیستور (مقاومت حرارتی)
مقاومت‌های لوله‌ای
مقاومت‌های سطحی
مقاومت‌های فیلم فلزی
مقاومت‌های فیلم اکسید فلزی
مقاومت‌های فیلم ضخیم
مقاومت‌های فیلم نازک
مقاومت‌های فويلی
مقاومت‌های کربنی چاپی
مقاومت‌های شانت امپرمتر (مقاومت‌های تشخیص جریان)
مقاومت‌های شبکه‌ای

مقاومت‌های متغیر

مقاومت‌های متغیر شامل یک یا چند عنصر مقاومت ثابت و یک اسلایدر هستند. این مقاومت‌ها سه اتصال به عنصر دارند؛ دو تا به عنصر مقاومت ثابت و سومی اسلایدر است. با حرکت اسلایدر به انتهای‌های مختلف، می‌توان مقدار مقاومت را تغییر داد.

انواع مقاومت‌های متغیر در زیر فهرست شده‌اند.

مقاومت‌های قابل تنظیم
پتانسیومترها
مقاومت‌های متغیر (ریاستات)
جعبه دهگان مقاومت (جعبه جایگزینی مقاومت)
واریستورها (مقاومت غیرخطی)
مقاومت وابسته به نور (LDR) یا فوتو رزیستانس
تریمرها

مقاومت‌های خاص دیگر شامل:

مقاومت آب (ریاستات آب، ریاستات مایع)
مقاومت بالاست
مقاومت پنولیک مولد کامپوزیت
مقاومت‌های سرامت
مقاومت‌های تانتالوم

اندازه‌های مقاومت (مقادیر مقاومت رایج)

اندازه‌های مقاومت به صورت مجموعه‌ای از سری‌های مختلف مقادیر استاندارد مقاومت سازماندهی شده‌اند. در سال 1952، کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیک تصمیم گرفت تا مقادیر استاندارد مقاومت و تحمل را تعیین کند تا سازگاری بین المان‌ها را افزایش دهد و تولید مقاومت‌ها را تسهیل کند.

این مقادیر استاندارد به عنوان سری E از مقادیر مورد ترجیح IEC 60063 شناخته می‌شوند. این سری E به E12، E24، E48، E96 و E192 طبقه‌بندی شده‌اند با 12، 24، 48، 96 و 192 مقدار مختلف در هر دهه.

مقادیر مقاومت رایج زیر لیست شده‌اند. این مقادیر استاندارد مقاومت E3، E6، E12 و E24 می‌باشد.

سری مقاومت استاندارد E3:

سری مقاومت E3 مقادیر مقاومت رایج در صنعت الکترونیک می‌باشد.

۱.۰

۲.۲

۴.۷

سری مقاومت‌های استاندارد E6:

سری مقاومت‌های E3 نیز بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد و طیف گسترده‌ای از مقادیر متداول مقاومت را ارائه می‌دهد.

۱.۰	۱.۵	۲.۲
۳.۳	۴.۷	۶.۸

سری مقاومت‌های استاندارد E12:

۱.۰	۱.۲	۱.۵
۱.۸	۲.۲	۲.۷
۳.۳	۳.۹	۴.۷
۵.۶	۶.۸	۸.۲

سری مقاومت استاندارد E24:

۱.۰	۱.۱	۱.۲
۱.۳	۱.۵	۱.۶
۱.۸	۲.۰	۲.۲
۲.۴	۲.۷	۳.۰
۳.۳	۳.۶	۳.۹
۴.۳	۴.۷	۵.۱
۵.۶	۶.۲	۶.۸
۷.۵	۸.۲	۹.۱

درصد خطای مقاومت‌ها معمولاً به صورت ${\pm 20}{\%}$ ، ${\pm 10}{\%}$ ، ${\pm 5}{\%}$ ، ${\pm 2}{\%}$ و ${\pm 1}{\%}$ مشخص می‌شود.

مقاومت از چه موادی ساخته می‌شود؟

به طور کلی، بر اساس کاربرد، انواع مختلفی از مواد برای ساخت مقاومت استفاده می‌شوند.

مقاومت‌ها از کربن یا مس ساخته می‌شوند تا جریان الکتریکی در مدار با دشواری حرکت کند.
نوع رایج و عمومی مقاومت، مقاومت کربنی است که برای مدارهای الکترونیکی با توان پایین مناسب است.
آلیاژهای مانگانین و کانتستان برای ساخت مقاومت‌های لوله‌پیچی استفاده می‌شوند چون دارای مقاومت الکتریکی بالا و ضریب مقاومت دمایی کم هستند.
پارچه و سیم منگانین برای تولید مقاومت‌های مانند آمتر شانت، استفاده می‌شود، زیرا منگانین تقریباً ضریب دما صفر دارد.ضریب دمایی مقاومت.
آلیاژ نیکل-مس-منگنز برای تولید مقاومت‌های استاندارد؛ مقاومت‌های پیچیده، مقاومت‌های دقیق پیچیده و غیره استفاده می‌شود. این آلیاژ دارای ترکیب زیر است: نیکل = ۴٪؛ مس = ۸۴٪؛ منگنز = ۱۲٪.

کاربردهای رایج مقاومت (کاربردهای مقاومت)

برخی از کاربردهای مقاومت شامل موارد زیر است:

مقاومت‌ها در امپلیفایرها, اسیلاتورها, مولتی‌مترهای دیجیتال, مدولاتورها، دمودولاتورها، فرستنده‌ها و غیره استفاده می‌شوند.
فوتو رزیستانسرها در هشداردهنده‌های دزدی، آتش‌یاب‌ها، دستگاه‌های عکاسی و غیره استفاده می‌شوند.
مقاومت‌های پیچیده در شانت با آمتر استفاده می‌شوند جایی که حساسیت بالا، کنترل جریان متوازن و اندازه‌گیری دقیق مورد نیاز است.