مقاوم الکتریکی: آن چیست و چه کاری انجام می‌دهد؟ (با نمونه‌ها)

فیلد: مقدماتی برق

China

چه می‌باشد مقاومت الکتریکی؟

مقاومت (همچنین به عنوان مقاومت الکتریکی شناخته می‌شود) یک عنصر الکتریکی غیرفعال دوطرفه است که مانع جریان الکتریکی می‌شود. مقاومت اندازه‌گیری مخالفت با جریان الکتریکی در یک مقاومت است. هرچه مقاومت یک مقاومت بیشتر باشد، مانع بزرگتری برای جریان الکتریکی خواهد بود. انواع مختلفی از مقاومت‌ها وجود دارد، مانند ترمیستور.

در یک مدار الکتریکی و الکترونیکی، عمل اصلی یک مقاومت این است که "مقاومت" جریان الکترون‌ها را فراهم کند، یعنی جریان الکتریکی. به همین دلیل به آن "مقاومت" گفته می‌شود.

مقاومت‌ها عناصر الکتریکی غیرفعال هستند. این بدان معناست که آنها نمی‌توانند انرژی به مدار تحویل دهند و به جای آن، انرژی دریافت می‌کنند و آن را به صورت گرما در طول جریانی که از آن می‌گذرد، پخش می‌کنند.

مقاومت‌های مختلف در یک مدار الکتریکی و الکترونیکی برای محدود کردن جریان یا ایجاد سقوط ولتاژ استفاده می‌شوند. مقاومت‌ها در مقادیر مقاومت مختلفی از کسری اهم (Ω) تا میلیون‌ها اهم موجود هستند.

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

چه کاری مقاومت انجام می‌دهد؟

در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی، مقاومت‌ها برای محدود کردن و تنظیم جریان الکتریکی، تقسیم ولتاژ، تنظیم سطح سیگنال، بایاس دادن عناصر فعال و غیره استفاده می‌شوند.

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

محافظت در برابر افزایش‌های ناگهانی ولتاژ

مدار سنبر یک ترکیب سری از یک مقاومت و یک خازنه است که با تایریستور به صورت موازی متصل می‌شود تا افزایش سریع ولتاژ روی تایریستور را مهار کند. این مدار به عنوان مدار سنبر شناخته می‌شود که برای محافظت تایریستور در برابر ولتاژ بالا استفاده می‌شود. $\frac{dv}{dt}$ .

مقاومت‌ها همچنین برای محافظت از چراغ‌های LED در برابر افزایش‌های ناگهانی ولتاژ استفاده می‌شوند. چراغ‌های LED به جریان الکتریکی بالا حساس هستند و بنابراین اگر مقاومتی برای کنترل جریان الکتریکی از طریق LED استفاده نشود، آن‌ها خسارت می‌بینند.

فراهم کردن ولتاژ مناسب با ایجاد کاهش ولتاژ

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

مقاومت الکتریکی به چه واحدی اندازه‌گیری می‌شود (واحد مقاومت)?

واحد سیستم بین‌المللی واحدها برای مقاومت (مقاومت الکتریکی) اهم است و با نماد Ω نشان داده می‌شود. واحد اهم (Ω) به افتخار فیزیکدان و ریاضیدان آلمانی بزرگ گئورگ سیمون اهم نامگذاری شده است.

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

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

بنابراین، مقاومت نیز به ولت بر آمپر اندازه‌گیری می‌شود.

مقاومت‌ها در محدوده گسترده‌ای از مقادیر تولید و مشخص می‌شوند. بنابراین، واحدهای مشتق شده مقاومت‌ها بر اساس مقادیر آنها مانند میلی‌اهم (1 میلی‌اهم = 10-3 Ω)، کیلو‌اهم (1 کیلو‌اهم = 103 Ω) و مگا‌اهم (1 مگا‌اهم = 106 Ω) و غیره تعریف می‌شوند.

نماد مداری مقاومت الکتریکی

دو نماد مداری اصلی برای مقاومت‌های الکتریکی وجود دارد. نماد پرکاربردتر برای مقاومت خط زیگ‌زاگی است که در آمریکای شمالی گسترده استفاده می‌شود.

نماد دیگر مقاومت یک مستطیل کوچک است که در اروپا و آسیا گسترده استفاده می‌شود و این نماد را نماد بین‌المللی مقاومت می‌نامند.

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 موضوع 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 اتصال سری، جریان عبوری از هر مقاومت منفرد ثابت می‌ماند (یعنی جریان عبوری از هر مقاومت یکسان است).

مثال

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

حل:

داده‌های موجود: $R_1 = 5 \,\,\Omega, R_2 = 10 \,\,\Omega$ 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 شده 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 n مقاومت متصل به صورت موازی است.

اگر دو یا چند مقاومت به صورت موازی متصل شوند، مقاومت معادل مقاومت‌های متصل به صورت موازی برابر با عکس جمع عکس مقاومت‌های فردی خواهد بود.

به طور 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 عبوری از هر مقاومت منفرد ثابت می‌ماند (یعنی ولتاژ عبوری از هر مقاومت یکسان است).

مدارهای مقاومتی (مثال‌های کاربردی)

مقاومت محدودکننده جریان LED

محدود کردن جریان در LED بسیار مهم است. اگر جریان زیادی از LED عبور کند، آن را خراب می‌کند. بنابراین، از یک مقاومت محدودکننده جریان برای محدود کردن یا کاهش جریان وارد شده به LED استفاده می‌شود.

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

محاسبه مقدار لازم مقاومت محدودکننده جریان

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

ولتاژ پیشرفت LED (از داده‌نامه)
حداکثر جریان پیشرفت LED (از داده‌نامه)
VS = ولتاژ تغذیه

ولتاژ پیشرفت ولتاژی است که برای روشن شدن LED نیاز است و معمولاً بین 1.7 V تا 3.4 V متغیر است، بسته به رنگ LED. حداکثر جریان پیشرفت جریان مداوم عبوری از LED است و معمولاً حدود 20 mA برای LED‌های پایه است.

اکنون می‌توانیم مقدار لازم مقاومت محدودکننده جریان 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 جریان پیشرو

$I_F$ = جریان پیشرو حداکثر

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

مقاومت‌های پل‌بردار

مقاومت‌های پل‌بردار در مدارهای منطق الکترونیکی استفاده می‌شوند تا وضعیت مشخصی برای سیگنال تضمین شود.

به عبارت دیگر، مقاومت‌های پل‌بردار برای تضمین اینکه یک سیم به سطح منطقی بالا کشیده می‌شود هنگامی که هیچ شرط ورودی وجود ندارد، استفاده می‌شوند. مقاومت‌های پل‌بردار پایین‌بردار عملکرد مشابه مقاومت‌های پل‌بردار دارند، با این تفاوت که آنها یک سیم را به سطح منطقی پایین کشیده می‌شوند.

دستگاه‌های مدرن IC، میکروکنترلرهای و درگاه‌های منطق دیجیتال دارای پین‌های ورودی و خروجی زیاد 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 درگاه منطق دیجیتال استفاده می‌شوند.

مقاومت‌های pull-up با ترانزیستورها، کلیدها، دکمه‌ها و غیره ترکیب می‌شوند که اتصال فیزیکی اجزای بعدی را به زمین یا VCC قطع می‌کنند. 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 کلید بسته شود، ولتاژ ورودی (Vin) در میکروکنترلر یا درگاه به زمین می‌رود و وقتی کلید باز شود، ولتاژ ورودی (Vin) در میکروکنترلر یا درگاه به سطح ولتاژ ورودی (Vin) بالا می‌رود.

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

مقدار معمول مقاومت pull-up ۴.۷ کیلوامپر است اما می‌تواند با توجه به کاربرد متفاوت باشد.

افت ولتاژ روی یک مقاومت

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

همانطور که می‌دانیم، یک مقاومت عنصر الکتریکی غیرفعال است که مقاومت الکتریکی را در جریان جریان می‌دهد. بنابراین، طبق قانون اهم، وقتی جریان از یک مقاومت عبور می‌کند، افت ولتاژ ایجاد می‌شود.

از نظر ریاضی، افت ولتاژ در یک مقاومت می‌تواند به صورت زیر بیان شود،

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

علامت برای افت‌های IR (افت‌های ولتاژ)

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

فرض کنید 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 است، یعنی -I R (یعنی کاهش پتانسیل). به طور مشابه، اگر از نقطه B به نقطه A حرکت کنیم، V = I R مثبت است، یعنی +I R (یعنی افزایش پتانسیل).

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

کدهای رنگی مقاومت‌ها

کدهای رنگی مقاومت‌ها برای شناسایی مقدار مقاومت و درصد تolerans آن‌ها استفاده می‌شوند. این کدها 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 اول 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 ارقام معنادار را نشان می‌دهند، باند سوم ضریب دهدهی را نشان می‌دهد و باند چهارم کرانه خطا را نشان می‌دهد.

5 band resistor code — کد رنگی مقاومت پنج باندی

جدول زیر ارقام معنادار، ضریب دهدهی و کرانه خطا برای رمزگذاری‌های مختلف رنگی 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 خطا وجود نداشته باشد، سمتی که یک باند نزدیک به یک سیم وجود دارد را به عنوان باند اول در نظر بگیرید.

مثال (چگونه مقدار مقاومت را محاسبه کنیم؟)

همانطور که در تصویر زیر نشان داده شده است، یک مقاومت رنگی کربنی دارای باند اول سبز، باند دوم آبی، باند سوم قرمز و باند چهارم طلا است. مشخصات مقاومت را پیدا کنید.

حل:

بر اساس جدول رمزگذاری رنگی مقاومت‌ها،

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

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

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

بنابراین، مقادیر مقاومت بین

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

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

بنابراین، مقادیر مقاومت بین $5880\,\,\Omega$ و $5320\,\,\Omega$ می‌باشد.

کدگذاری با حروف یا کاراکترها (کد RKM)

گاهی اوقات مقاومت‌ها به اندازه‌ای کوچک هستند که استفاده از رمزگذاری رنگی دشوار می‌شود. در چنین شرایطی، از رمزگذاری با حروف یا کاراکترها برای مشخصات مقاومت‌ها استفاده می‌شود. این روش نیز به عنوان کد RKM شناخته می‌شود.

حروف استفاده شده برای رمزگذاری مقاومت‌ها عبارتند از R، K و M. وقتی یک حرف بین دو عدد اعشاری قرار می‌گیرد، نقش ممیز اعشار را ایفا می‌کند. به عنوان مثال، حرف R نشان‌دهنده اهم، K نشان‌دهنده کیلو اهم و M نشان‌دهنده مگا اهم است. حال برخی نمونه‌ها را ببینید.

مقاومت	کد حرفی
۰٫۳ اهم	R3
۰٫۴۷ اهم	R47
۱ اهم	1R0
۱ کیلواهم	1K
۴٫۷ کیلواهم	4K7
۲۲٫۳ مگااهم	22M3
۹٫۷ مگااهم	9M7
۲ مگااهم	2M

مثال – کد حرف یا عدد

تساهل به صورت زیر نشان داده می‌شود

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

مثال – مقاوم با کد حروفی:

مقاومت	کد حروفی
$3.5\,\,\Omega {\pm 5}{\%}$	۳R۵J
$4.7\,\,\Omega {\pm 10}{\%}$	۴R۷K
$9.7\,\,M\Omega {\pm 2}{\%}$	۹M۷G

انواع مقاومت‌ها

مقاومت‌های مختلفی وجود دارد که هر کدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند.

دو نوع اصلی مقاومت موجود عبارتند از: مقاومت‌های ثابت و مقاومت‌های متغیر. هر دو نوع در زیر فهرست شده‌اند.

مقاومت‌های ثابت

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

مقاومت‌های ترکیبی کربن (مقاومت‌های کربن)
مقاومت‌های کربن پیل
مقاومت‌های فیلم کربن
ترمیستور (مقاومت حرارتی)
مقاومت‌های پیچیده سیم
مقاومت‌های جوش‌پذیر سطحی
مقاومت‌های فیلم فلزی
مقاومت‌های فیلم اکسید فلزی
مقاومت‌های فیلم ضخیم
مقاومت‌های فیلم نازک
مقاومت‌های فولادی
مقاومت‌های کربن چاپی
مقاومت‌های شانس آمپرمتر (مقاومت‌های تشخیص جریان)
مقاومت‌های شبکه‌ای

مقاومت‌های متغیر

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

انواع مقاومت‌های متغیر در زیر فهرست شده‌اند.

مقاومت‌های قابل تنظیم
پتانسیومترها
مقاومت‌های متغیر (ریئوستات)
جعبه دهگانه مقاومت (جعبه جایگزینی مقاومت)
واریستورها (مقاومت غیرخطی)
مقاومت وابسته به نور (LDR) یا فتو رزیستانس
ترامرها

مقاومت‌های خاص دیگر شامل:

مقاومت آب (ریئوستات آب، ریئوستات مایع)
مقاومت بالاست
مقاومت ساخته شده از کامپوزیت فنولی
مقاومت‌های سرامیک-فلزی
مقاومت‌های تانتال

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 مقادیر استاندارد مقاومت و تحمل را تعیین کند تا سازگاری بین مولفه‌ها را افزایش دهد و تولید مقاومت‌ها را آسان‌تر کند.

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

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

سری مقاومت استاندارد E3:

سری مقاومت E3 مقادیر مقاومت رایج استفاده شده در صنعت الکترونیک هستند.

۱.۰

۲.۲

۴.۷

سری مقاومت‌های استاندارد E6:

سری مقاومت‌های E3 نیز بسیار معمول است و محدوده وسیعی از مقادیر مقاومت رایج را ارائه می‌دهد.

۱٫۰	۱٫۵	۲٫۲
۳٫۳	۴٫۷	۶٫۸

سری مقاومت 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

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

مقاومت از چه موادی ساخته می‌شود؟

بر اساس کاربرد، انواع مختلفی از مواد برای ساخت مقاومت استفاده می‌شود.

مقاومت‌ها از کربن یا مس ساخته می‌شوند که این امر باعث می‌شود جریان الکتریکی در مدار دشوار شود.
نوع رایج و عمومی مقاومت، مقاومت کربنی است که برای مدارهای الکترونیکی با توان پایین مناسب‌ترین است.
آلیاژهای مانگانین و کنستانتان برای ساخت مقاومت‌های لوله‌پیچی استاندارد استفاده می‌شوند زیرا دارای مقاومت خاص بالا و ضریب مقاومت دمایی کم هستند.
پرده و سیم منگانین برای تولید مقاومت‌های مانند آمتر شانت‌ها استفاده می‌شود، زیرا منگانین تقریباً ضریب مقاومت دمایی صفر دارد.
آلیاژ نیکل-مس-منگنز برای تولید مقاومت‌های استاندارد؛ مقاومت‌های پیچیده با سیم و مقاومت‌های دقیق پیچیده با سیم استفاده می‌شود. این آلیاژ شامل ترکیب: نیکل = ۴٪؛ مس = ۸۴٪؛ منگنز = ۱۲٪.

چه کاربردهای رایجی برای مقاومت (کاربردهای مقاومت) وجود دارد؟

برخی از کاربردهای مقاومت عبارتند از:

مقاومت‌ها در توسعه‌دهنده‌ها, وسایل نوسان‌ساز, مچ‌های دیجیتال چندمنظوره, مدولاتورها، دمودولاتورها، ارسال‌کننده‌ها و غیره استفاده می‌شوند.
فوتورزیستانس‌ها در هشداردهنده‌های دزدی، آتش‌بازی‌ها، دستگاه‌های عکاسی و غیره استفاده می‌شوند.
مقاومت‌های پیچیده با سیم در شانت با آمتر استفاده می‌شوند که در آن حساسیت بالا، کنترل جریان متعادل و اندازه‌گیری دقیق مورد نیاز است.