Sähköinen vastus: Mikä se on ja mitä se tekee? (Esimerkkejä sisältyy)

Kenttä: Perus sähkötiede

China

Mikä on sähköinen vastus?

Vastus (myös tunnettu nimellä sähköinen vastus) määritellään kahden pinnan passiivisena sähkökomponenttina, joka tarjoaa sähköisen vastuksen virtaan. Vastus on mittari sille, kuinka paljon vastus vastustaa sähkövirtaa. Mitä suurempi vastus, sitä suurempi este sähkövirran kululle. On olemassa monia erilaisia vastustyyppiä, kuten termistori.

Sähköisessä ja elektronisessa piirissä vastuksen päärakenteellinen tehtävä on "vastustaa" elektronien kulua, toisin sanoen sähkövirtaa. Siksi se on nimetty "vastukseksi".

Vastukset ovat passiivisia sähkökomponentteja. Tämä tarkoittaa, että ne eivät voi tuottaa energiaa piiriin, vaan ne saavat energian ja tuovat sen lämpön muodossa niin kauan kuin virta kulkee niiden läpi.

Erilaisia vastuksia käytetään sähköisissä ja elektronisissa piireissä rajoittamaan sähkövirtaa tai tuottamaan jänniteputosia. Vastukset ovat saatavilla monissa eri vastusarvoissa, jotka ulottuvat murto-ohmeista miljoonien ohmin arvoihin.

Ohmin lain mukaan vastuksen yli kulkeva jännite (V) on suoraan verrannollinen siitä kulkevaan virtaan (I). Vastus R on tässä suhteessa vakio.

Mikä on vastuksen tehtävä?

Sähkö- ja elektroniikkapiireissä vastukset käytetään rajoittamaan ja säätämään sähkövirtaa, jakamaan jännitteitä, säätämään signaalitasoja, harjoittelemaan aktiivisia komponentteja ym.

Esimerkiksi useita vastuksia kytketään sarjapätkänä rajoittamaan virtaa valon tuottavassa diodissa (LED). Muut esimerkit on kuvattu alla.

Suojaa jännitehuipuista

Snubber-piiri on piiri, jossa vastus ja kapasitanssi kytketään rinnan thyristorin kanssa estääksesi nopean jännitteen nousun thyristorin yli. Tätä kutsutaan snubber-piiriksi, joka suojaa thyristoria korkealta $\frac{dv}{dt}$ .

Vastukset käytetään myös suojamaan LED-valoja jännitehuipuista. LED-valot ovat herkkä korkealle sähkövirralla, ja siksi ne vaurioituvat, jos vastusta ei käytetä hallitsemaan sähkövirran virtaamista LED:n kautta.

Luodaan sopiva jännite luomalla jänniteputos

Jokaisella elementillä sähköpiirissä, kuten valolla tai kytkimellä, on oma vaadittu jännite. Tämän vuoksi vastukset käytetään luomaan jänniteputos elementtien yli tarjotakseen oikean jännitteen.

Mitä on sähköinen vastus (vastusyksiköt)?

Vastuksen (sähköisen vastuksen mitattuna) SI-yksikkö on ohm ja se merkitään Ω:llä. Yksikkö ohm (Ω) on nimetty suuren saksalaisen fysiikan ja matematiikan tutkijan Georg Simon Ohmin mukaan.

SI-järjestelmässä ohm on yhtä kuin 1 volt per ampere. Siksi,

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

Siksi vastus mitataan myös volttina per ampere.

Vastukset valmistetaan ja määritellään laajalla arvojen kirjoilla. Siksi vastusten johdannaisyksiköt tehdään niiden arvojen mukaan, kuten milliohm (1 mΩ = 10-3 Ω), kiloohm (1 kΩ = 103 Ω) ja megaohm (1 MΩ = 106 Ω) jne.

Sähköisen vastuksen piirisynteesi

On kaksi pääpiirisynteesiä, joita käytetään sähköisille vastuksille. Yleisin vastuksen piirisynteesi on vinosti kulkeva viiva, jota laajasti käytetään Pohjois-Amerikassa.

Toinen vastuksen piirisynteesi on pieni suorakulmio, jota laajasti käytetään Euroopassa ja Aasiassa, ja tätä kutsutaan kansainväliseksi vastuksen piirisynteesiksi.

Vastusten piirisynteesit näkyvät alla olevassa kuvassa.

企业微信截图_1710134355893.png — Vastuksen symboli

企业微信截图_1710134362141.png — Vastuksen symboli

Sarja- ja rinnakkaissyöttöiset vastukset

Sarjasyöttöisten vastusten kaava

Alla oleva piiri kuvaa useita sarjasyöttöisiä vastuksia n.

Jos kaksi tai useampi vastus on yhdistetty sarjassa, niin sarjasyöttöisten vastusten ekvivalenttivastus on yhtä suuri kuin niiden yksittäisten vastusten summa.

Matemaattisesti tämä ilmaistaan seuraavasti:

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

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

Sarjapätkössä kautta kulkeva virta pysyy jokaisessa yksittäisessä vastuksessa vakiona (toisin sanoen jokaisen vastuksen läpi kulkeva virta on sama).

Esimerkki

Kuten alla olevassa piirissä näkyy, kolme vastusta, 5 Ω, 10 Ω ja 15 Ω, on kytketty sarjaan. Määritä sarjakytkennän vastusten yhtäpitävä vastus.

Ratkaisu:

Annetut tiedot: $R_1 = 5 \,\,\Omega, R_2 = 10 \,\,\Omega$ ja $\,\,R_3 = 15 \,\,\Omega$

Kaavan mukaan,

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

Näin ollen sarjakytkennässä olevien vastusten yhtäpitävä vastus on 30 Ω.

(huomioi, että yllä oleva piirikaavio sanoo 25 Ω. Tämä on kirjoitusvirhe, oikea vastaus on 30 Ω)

Vastusten rinnakkaiskytkennän kaava

Alla oleva piiri näyttää useita rinnakkaan kytkettyjä vastuksia n.

Jos kaksi tai useampi vastus on kytketty rinnakkaan, niin rinnakkaan kytkettyjen vastusten yhtäpitävä vastus on yhtä suuri kuin yksittäisten vastusten käänteisarvojen summan käänteisarvo.

Matemaattisesti tämä ilmaistaan seuraavasti

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

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

Yhdensuuntaisessa kytkentässä jokaisen yksittäisen vastuksen läpi kulkeva jännite pysyy vakiona (eli jokaisen vastuksen läpi kulkeva jännite on sama).

Vastuskytkennät (esimerkkisovellukset)

LED:n virranrajoitusvastus

Virran rajoittaminen on erittäin tärkeää LED:ssä. Jos liian paljon virtaa kulkee LED:n läpi, se vaurioituu. Siksi käytetään virranrajoitusvastusta, joka rajoittaa tai vähentää virtaa LED:n läpi.

Virranrajoitusvastukset kytketään sarjakytkennässä LED:n kanssa rajoittaakseen LED:n läpi kulkevaa virtaa turvalliselle arvolle. Esimerkiksi kuvassa alla näytetään, että virranrajoitusvastus on kytketty sarjakytkennässä LED:n kanssa.

Laskeminen: Tarvittavan virranrajoitusvastuksen arvo

Virranrajoitusvastuksen arvon laskemiseksi meidän on tiedettävä kolme LED:n ominaisarvoa:

LED:n etujännite (datasheetistä)
LED:n suurin etuvirta (datasheetistä)
Vs = toimintajännite

Etujännite on jännite, joka tarvitaan LED:n sytyttämiseksi, ja se on yleensä välillä 1,7 V - 3,4 V riippuen LED:n väristä. Suurin etuvirta on jatkuva virta, joka kulkee LED:n läpi, ja se on yleensä noin 20 mA perustasolle LED:lle.

Nyt voimme laskea tarvittavan rajoitusresistorin arvon seuraavan yhtälön avulla,

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

Missa $V_S$ = Päähän syötetty jännite

$V_F$ = Suuntajännite

$I_F$ = suurin suuntasuunta

Katsotaan esimerkki tarvittavan rajoitusresistorin arvon laskemisesta edellä mainitun kaavan avulla.

Pull-up -resistors

Pull-up -resistors ovat sähköpiirissä käytettäviä resistoreita, jotka varmistavat tunnetun tilan signaalille.

Toisin sanoen, pull-up -resistoreita käytetään varmistaakseen, että johto on korkealla loogisella tasolla, kun ei ole syöttösignaalia. Pull-down -resistor toimii samankaltaisesti pull-up -resistoreihin nähden, paitsi että ne vetävät johtoa matalalle loogiselle tasolle.

Modern ICs, mikrokontrollerit ja digitaaliset loogikaportit ovat monia syöte- ja ulospistettä, ja nämä syötteet ja ulostulot on asetettava oikein. Siksi pull-up -vastukset käytetään varmistaakseen, että mikrokontrollerin tai digitaalisen loogikaportin syötepin on asetettu tunnettuun tilaan.

Pull-up -vastukset käytetään yhdessä transistoreiden, kytkimien, painikkeiden jne., jotka keskeyttävät seuraavien komponenttien fyysisen yhteyden maan tai VCC:n kanssa. Esimerkiksi pull-up -vastuspiiri on näkyvissä alla olevassa kuvassa.

企业微信截图_17101346272890.png — Pull-up -vastuspiiri

企业微信截图_17101346341956.png — Pull-up -vastuspiiri

Kuten nähdään, kun kytkin on suljettu, mikrokontrollerin tai portin syötejännite (Vin) menee maahan, ja kun kytkin on auki, mikrokontrollerin tai portin syötejännite (Vin) nostetaan syötejännitteen tasolle (Vin).

Siksi pull-up -vastus voi virittää mikrokontrollerin syötepinin tai portin, kun kytkin on auki. Ilman pull-up -vastusta mikrokontrollerin tai portin syötteet olisivat hajoavina, eli korkean impedanssin tilassa.

Typinen pull-up -vastuksen arvo on 4,7 kΩ, mutta se voi vaihdella sovelluksen mukaan.

Vastuksen läpi kulkeva jännite

Vastuksen läpi kulkeva jännite on muuten vain vastuksen yli olevan jännitteen arvo. Jännitetön vastus tunnetaan myös IR-pudotuksena.

Kuten tiedämme, vastus on passiivinen sähköinen komponentti, joka tarjoaa sähköisen vastarintaa virtauksen kulkuun. Näin ollen ohmin lain mukaan se aiheuttaa jännitepudotuksen, kun virta kulkee vastusteen läpi.

Matemaattisesti vastuksen jänniteputoaminen voidaan ilmaista seuraavasti,

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

Merkitse IR-pudotukset (jänniteputoamiset)

Vastuksen jänniteputoamisen merkin määrittämiseksi on erittäin tärkeää ottaa huomioon sähkövirran suunta.

Oletetaan, että vastuksessa, jonka vastus on R, sähkövirta (I) virtaa pisteestä A pisteeseen B kuvassa näkyvällä tavalla.

Täten piste A on korkeammalla potentiaalilla kuin piste B. Jos matkustamme pisteestä A pisteeseen B, V = I R negatiivinen, eli -I R (eli potentiaalin lasku). Samoin, jos matkustamme pisteestä B pisteeseen A, V = I R positiivinen, eli +I R (eli potentiaalin nousu).

Näin ollen on selvää, että vastuksen jänniteputoamisen merkki riippuu sähkövirran suunnasta kyseisessä vastuksessa.

Vastuksen värikoodit

Vastuksen värikoodit käytetään vastuksen arvon ja prosenttiosumman tunnistamiseen. Värikoodit koostuvat väriympyröistä, joita käytetään vastuksen tunnistamiseen.

Kuten alla olevassa kuvassa näkyy, vastuksessa on neljä väriympyrää. Kolme ympyrää on painettu vierekkäin, ja neljäs ympyrä on hieman etäällä kolmatta ympyrää.

4 band resistor color code — 4 ympyrän vastuksen värikoodi

Vasemmalta kaksi sivua ilmaisevat merkityksellisiä numeroita, kolmas sivu ilmaisee desimaalikertoman ja neljäs sivu ilmaisee toleranssin.

5 band resistor code — Viiden sivun vastusin värikoodi

Alla oleva taulukko näyttää merkitykselliset numerot, desimaalikertoman ja toleranssin eri värityksen mukaan.

Tärkeät seikat:

Kulta- ja hopeasivu on aina oikealla puolella.
Vastuksen arvo luetaan aina vasemmasta oikealle.
Jos toleranssisivua ei ole, löydä sivu, jolla on sivu lähellä johtoa, ja tee siitä ensimmäinen sivu.

Esimerkki (Miten lasketaan vastuksen arvo?)

Kuten alla olevassa kuvassa näytetään, hiilivalmistuksen vastuksella on ensimmäinen vihreä rengas, toinen sininen, kolmas punainen ja neljäs kultainen. Etsi vastuksen tiedot.

Ratkaisu:

Värikoodauksen taulukon mukaan,

Vihreä	Sininen	Punainen	Kulta
5	6	102	${\pm 5}{\%}$

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

Sitenä vastustuksen arvo on $5600\,\,\Omega$ ja sille on ${\pm 5}{\%}$ toleranssi.

Näin ollen vastustuksen arvo on välillä

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

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

Näin ollen vastustuksen arvo on välillä $5880\,\,\Omega$ ja $5320\,\,\Omega$ .

Merkkikoodaus (RKM-koodi)

Joskus vastukset voivat olla niin pieniä, että värityskoodaus on vaikeaa soveltaa. Tällaisissa tapauksissa käytetään merkkikoodausta vastusten määrittämiseen. Tätä kutsutaan myös RKM-koodiksi.

Koodausta vastuksille käytetyt merkit ovat R, K ja M. Kun merkki on kahden desimaaliluvun välissä, se toimii desimaalipisteen tavoin. Esimerkiksi merkki R tarkoittaa ohmeja, K kiloohmeja ja M megaohmeja. Katso tämän esimerkkejä.

Vastus	Kirjainkoodi
0,3 Ω	R3
0,47 Ω	R47
1 Ω	1R0
1 kΩ	1K
4,7 kΩ	4K7
22,3 MΩ	22M3
9,7 MΩ	9M7
2 MΩ	2M

Esimerkki – kirjaimellinen tai numeerinen koodi

Toleranssi ilmaistaan seuraavasti

Merkki	Sallittu poikkeama
F	${\pm 1}{\%}$
G	${\pm 2}{\%}$
J	${\pm 5}{\%}$
K	${\pm 10}{\%}$
M	${\pm 20}{\%}$

Esimerkki – Vastus kirjaimellisella koodilla:

Vastustimetyypit

On olemassa erilaisia vastustimetyppejä, joilla on omat yksilölliset ominaisuutensa ja tarkat käyttötarkoitukset.

Kaksi perusvastustimen tyyppeä ovat kiinteät vastustimet ja muuttuvat vastustimet. Molemmat tyypit on lueteltu alla.

Kiinteät vastustimet

Kiinteät vastustimet ovat laajimmin käytetty vastustimen tyyppi. Niitä käytetään laajasti sähkökireissä oikean tilanteen säätämiseen ja säätelyyn. Kiinteiden vastustimien tyypit on lueteltu alla.

Hiilikompositivastustimet (hiilivastustimet)
Hiilihöyryvastustimet
Hiilipinnavastustimet
Termistori (lämpövastustin)
Langalla kiertävät vastustimet
Pinta-asennettavat vastustimet
Metallipinnavastustimet
Metalliyhdistevastustimet
Paksupinnavastustimet
Ohut pinnavastustimet
Foilivastustimet
Tulostetut hiilivastustimet
Ammeter shunts vastustimet (virtasensorivastustimet)
Ruuduvastustimet

Muuttuvat vastustimet

Muuttuvat vastustimet koostuvat yhdestä tai useammasta kiinteästä vastustimesta ja liukuvaosasta. Nämä antavat kolme yhteyttä elementtiin; kaksi on yhdistetty kiinteään vastustimelementtiin, ja kolmas on liukuvaosa. Liukuvaosan siirtämällä eri terminaaleihin voimme vaihtaa vastuksen arvoa.

Muuttuvien vastustimien tyypit on lueteltu alla.

Säädettävät vastukset
Potentiaalimetrit
Muuttuvat vastukset (Reostaatit)
Vastusten vuosikymmenten laatikko (Vastusvaihtolaatikko)
Varistorit (Epälineaarinen vastus)
Valon riippuva vastus (LDR) tai valovastus
Trimmit

Muita erityisestiä vastuksia ovat:

Vesi vastus (Veden reostaatit, nesteen reostaatit)
Ballastivastus
Fenolimoldattu komposiittivastus
Cermet-vastukset
Taantelivastukset

Vastusten koot (yleisimmät vastusarvot)

Vastusten koot on järjestetty eri sarjojen standardiarvoihin. Vuonna 1952 kansainvälinen sähkötekniikan komissio päätti määrittää standardiresistanssi- ja toleranssiarvot lisätäksään komponenttien yhteensopivuutta ja helpottamaan vastusten valmistusta.

Nämä standardiarvot tunnetaan IEC 60063:n suositun numeron arvojen E-sarjana. Nämä E-sarjat luokitellaan E12, E24, E48, E96 ja E192, joissa on 12, 24, 48, 96 ja 192 eri arvoa jokaisessa dekadiassa.

Yleisimmät vastusarvot on lueteltu alla. Ne ovat E3, E6, E12 ja E24 standardivastusarvot.

E3-standardivastusarvosarja:

E3-vastusarvosarja on yleisimpiä vastusarvoja sähköteollisuudessa.

1,0

2,2

4,7

E6-standardin vastusjoukko:

E3-vastusjoukkokin on yleisesti käytetty, ja se tarjoaa laajan valikoiman yleisiä vastusarvoja.

1,0	1,5	2,2
3,3	4,7	6,8

E12-standardin vastusarvot:

1,0	1,2	1,5
1,8	2,2	2,7
3,3	3,9	4,7
5,6	6,8	8,2

E24-standardin vastusjoukko:

1.0	1.1	1.2
1.3	1.5	1.6
1.8	2.0	2.2
2.4	2.7	3.0
3.3	3.6	3.9
4.3	4.7	5.1
5.6	6.2	6.8
7.5	8.2	9.1

Vastuskyvyn toleranssi on yleensä määritelty ${\pm 20}{\%}$ , ${\pm 10}{\%}$ , ${\pm 5}{\%}$ , ${\pm 2}{\%}$ , ja ${\pm 1}{\%}$ .

Mistä vastus valmistetaan?

Sovelluksen mukaan vastuksia valmistetaan erilaisista materiaaleista.

Vastukset valmistetaan hiilestä tai kuparista, mikä tekee sähkövirran kulkeudelle vaikeaksi piirissä.
Yleisin ja monipuolinen vastus on hiilikomponentti, joka soveltuu parhaiten pienvoimaisiin elektroniikkapiireihin.
Manganin ja constantan-liittymiä käytetään standardien kierronvastusten valmistukseen, koska niillä on korkea vastuskyvyys ja alhainen vastuskyvyn lämpökerroin.
Manganini folia ja nauhaa käytetään vastustimien valmistukseen, kuten amperemittarin shunteja, koska manganinilla on lähes nolla lämpötilakertoimaan liittyvä vastus.
Nikkeli-kupari-manganeesi-allomista käytetään standardivastustimien valmistukseen; nauhavastustimien, tarkkuuden nauhavastustimien jne. Tämä allomi koostuu: Nikkelistä = 4%; Kuparista = 84%; Manganeesista = 12%.

Mitä ovat yleiset vastustimen käyttötarkoitukset (vastustimen sovellukset)

Jotkut vastustimen sovellukset sisältävät:

Vastustimet käytetään vahvistimissa, oskillaattoreissa, digitaalisissa monilaskimissa, modulaattoreissa, demodulaattoreissa, lähettimissä jne.
Valokosteisuusvastustimet käytetään murha-alarmejen, liekkidetektoreiden, valokuvauslaitteiden jne. valmistukseen.
Nauhavastustimet käytetään amperemittareiden shuntina, jossa tarvitaan korkeaa herkkyys, tasapainoinen sähkövirran säätö ja tarkka mittaus.