مقاومت چیست؟

مقاومت از منظر ریاضی ساده‌ترین پیاده‌سازی قانون اهم است.

این قانون می‌گوید جریان موجود در یک ماده به طور مستقیم با ولتاژ اعمال شده در آن ماده متناسب است و «ثابت تناسب» مقاومت ماده در دمای ثابت است.

 

به عبارت دیگر،

V=I*R

 

این  فرمول کلاسیکی است که همه ما با آن آشنا هستیم، جایی که V برابر ولتاژ (ولت)، I جریان (آمپر) و R مقاومت است.

واحد مقاومت اهم است که به نام کاشف فرمول بالا است. از آنجا که اهم (برای تغییر!) یک مقدار کوچک است، مقاومت‌ها در صدها اهم، هزاران اهم (کیلو اهم،KΩ) یا میلیون‌ها اهم اندازه‌گیری می‌شوند (مگا اهم، MΩ).

 

مقاومت مشابه اصطکاک است. اصطکاک (اگر در یک کلاس فیزیک بوده‌اید)، مقاومت موجود در برابر حرکت است. به همین شکل، مقاومت، توانایی ماده در ایستادگی در برابر جریان الکتریکی است. در بخش بعدی یاد خواهیم گرفت که چگونه آن‌ها این کار را انجام می‌دهند.

 

مقاومت چگونه کار می‌کند؟

همه ما روزهای مدرسه خود را صرف صحبت کردن در مورد رساناها و عایق‌ها کرده‌ایم. ما می‌دانیم رسانا چیست؛ چیزی که اجازه می‌دهد تا برق به راحتی از طریق آن جریان یابد. عایق کاملاً برعکس است – چیزی که اجازه نمی‌دهد جریان را از طریق آن عبور کند.

 

این خصوصیات نتیجه مستقیمی از مقاومت هستند؛ رساناها مقاومت کمی در برابر جریان الکتریکی دارند در حالی که عایق‌ها تا حد زیادی در برابر جریان الکتریکی مقاومت می‌کنند.

 

اگر بر روی یک سیم تا مقیاس اتمی بزرگنمایی کنیم، می‌بینیم که این سیم از اتم‌های کوچک ساخته شده است.

 

هنگامی‌که الکترون‌ها از طریق سیم عبور می‌کنند، برخی از آن‌ها درست از طریق قسمت‌های خالی سیم عبور می‌کنند اما برخی از آن‌ها به یک اتم برخورد کرده و به عقب برگشت می‌کنند؛ گاهی نیز الکترون‌ها به یکدیگر برخورد می‌کنند. این باعث می‌شود جریان الکترون‌ها تا حدودی غیریکنواخت و دارای مانع شود – این همان مقاومت است.

 

این همچنین بدان معنی است که مقاومت به خواص ماده خود بستگی دارد؛ زیرا تعامل الکترون‌ها با اتم‌ها به اندازه و چینش اتم‌ها بستگی دارد.

 

برخی در مورد ضرایب دمایی صحبت می‌کنند. در حالی که این ممکن است کمی فانتزی به نظر برسد، می‌توانیم از مدل ساده خود برای درک این موضوع استفاده کنیم.

 

ضریب دمایی نشان می‌دهد که چگونه مقاومت یک ماده با دما تغییر می‌کند. مقاومت‌هایی که ضریب دمایی مثبت دارند مقاومتشان با افزایش دما افزایش می‌یابد. اکنون حس شفاف‌تری نسبت به PTC ها و NTC ها دارید، مگر نه؟

 

با توجه به مدل خود، وقتی سیم را گرم می‌کنیم، ما (از نظر ترمودینامیکی) به سیم انرژی می‌دهیم. این انرژی توسط اتم‌ها جذب می‌شود و آن‌ها لرزش را شروع می‌کنند. این کار عبور الکترون‌ها را دشوارتر می‌کند.

 

نماد مقاومت

نماد مقاومت یک زیگزاگ ساده است. در برخی کشورها مردم ترجیح می‌دهند از نماد جعبه (باکس) استفاده کنند، اما هر دو نماد در جامعه الکترونیک پذیرفته هستند.

 

مجموعه دوم نمادها، مقاومت متغیر یا رئاستات هستند، مقاومت‌هایی که مقاومت آن‌ها می‌تواند در یک محدوده مشخص تغییر کند.

 

یک مدار مقاومت ساده و فرمول‌های پایه

قبل از اینکه عمیق‌تر بشویم، ایده خوبی است که از طریق یک مدار مقاومت بسیار ساده عبور کنیم تا بدانیم که با چه چیزی برخورد می‌کنیم.

 

مورد زیر را در نظر بگیرید – شما یک LED سبز با حداکثر جریان mA 20 دارید و می‌خواهید یک باتری 9 ولت آن را روشن کند.

 

اتصال LED به طور مستقیم به باتری ممکن است یک ایده خوب به نظر برسد، اما لحظه‌ای که منجر به لامپ LED می‌شود ترمینال‌های باتری را لمس می‌کند … بومم! LED لحظه‌ای روشن می‌شود. اگر خوش‌شانس باشید، چراغ LED با یک فلاش از بین می‌رود؛ اگر چندان خوش‌شانس نباشید، با بسیاری از مواد LED سوخته به کار خود خاتمه می‌دهید.

 

اتفاقی که در اینجا افتاد، یک مورد ساده از عبور بیش از حد جریان است. وقتی اولین بار LED را به باتری وصل کردید، شروع به عبور جریان می‌کند. این مقدار از mA 20 موردنیاز بیشتر بود، بنابراین LED این را به شکل گرما از بین می‌برد. با گرم شدن LED، مقاومت آن کاهش یافته است (ضریب دمای منفی!) و این باعث می‌شود جریان بیشتری از طریق آن عبور یابد و این چرخه ادامه پیدا می‌کند تا اینکه نیمه‌هادی نمی‌تواند گرما را کنترل کند و منفجر می‌شود.

 

حال اگر ما یک مقاومت را وصل کنیم چه می‌شود؟ ما از قانون اهم می‌دانیم که V = IR، اگر این معادله را دوباره تنظیم کنیم:

R = V/I

 

ما ولتاژ منبع تغذیه و جریان موردنیاز برای روشن کردن امن LED را می‌دانیم. ما با این مقادیر محاسبه کرده و مقاومت Ω 450 را به دست می‌آوریم. مقاومت Ω 450 یک مقدار معمول نیست؛ بنابراین نزدیک‌ترین مقدار یعنی Ω 470 کافی است.

 

روش دیگری برای انجام این کار وجود دارد:

می‌دانیم که یک LED سبز دارای ولتاژ عملیاتی در حدود 3.5 ولت و ولتاژ باتری 9 ولت است؛ بنابراین ما باید 5.5 ولت را در مقاومت mA 20 جذب کنیم. این منجر به مقدار Ω 275 می‌شود.

 

این مقدار کمتر از محاسبه اول است، دلیل این است که این بار ولتاژ رو به جلو LED را در نظر می‌گیریم.

حالا این همه انرژی کجا می‌رود؟ درست مانند اصطکاک که گرما تولید می‌کند، مقاومت نیز گرما ایجاد می‌کند.

با مراجعه به مدل ما، الکترون‌هایی که با اتم‌ها برخورد می‌کنند، انرژی اتم‌ها را افزایش می‌دهند و به طور عمده دما را افزایش می‌دهند.

 

ما میدانیم که:

P = V*I

 

با حل برای V یا I و با جایگزین کردن مقادیر موجود در معادله قانون اهم، دو معادله مفید به دست می‌آوریم:

P = I²*R = V²/R

 

که P توان مصرفی (وات) است، I جریان (آمپر) است، V ولتاژ (ولت) و R مقاومت (اهم) است.

البته مقاومت باید بتواند مقدار نیرویی را که از طریق آن هدر می‌دهیم تحمل کند و این بدان معناست که مقاومت‌ها در شکل‌ها و اندازه‌های مختلفی قرار می‌گیرند.

 

مقاومت‌های Through Hole

اصطلاح “Through Hole” ممکن است یک تعمیم باشد، اما اگر همه مقاومت‌ها را بر اساس شکل و اندازه طبقه‌بندی کنیم، به یک لیست تقریباً بی‌پایان خواهیم رسید.

 

مقاومت‌های Through Hole، علاوه بر مقاومت، با توجه به توانشان رتبه‌بندی می‌شوند. احتمالاً ریزترین مقاومت W 8/1 هستند، به این معنی که می‌توانند 8/1 وات یا 125 میلی وات را از بین ببرند. در انتهای دیگر این مقیاس، می‌توانید مقاومت‌هایی پیدا کنید که W 100 را از بین می‌برد!

 

مقاومت‌های متغیر (پتانسیومتر)

مقاومت متغیر همان‌طور که از نام آن پیداست برای تغییر مقدار مقاومت در صورت نیاز استفاده می‌شود. انواع مقاومت‌های متغیر وجود دارد. احتمالاً شما در رادیوهای قدیمی برای تنظیم کانال‌ها یا کنترل میزان صدا، مقاومت‌های متغیر دستگیره‌ای بزرگ را مشاهده کرده‌اید. جدا از این، مقاومت‌های متغیر کوچکی به نام تریمر وجود دارد که پس از اتمام طراحی، برای تنظیم یا کالیبراسیون یک مدار الکترونیکی استفاده می‌شوند.

مقاومت‌های SMD

SMD مخفف «قطعه نصب در سطح» است. این مقاومت‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که در سطح PCB لحیم شده و ریز هستند. آن‌ها در اندازه‌های مختلفی وجود دارند که می‌توانند توان‌های مختلفی را از بین ببرند.

 

انواع مختلف مقاومت‌

جدا از اینکه مقاومت‌ها در اشکال و اندازه‌های مختلفی ایجاد شوند، با توجه به موادی که از آن ساخته می‌شوند نیز طبقه‌بندی می‌شوند.

 

مقاومت‌های کربنی

ماده مقاومتی در این مقاومت‌ها از غبار کربن یا گرافیت ساخته شده است. از آنجا که ترکیبات کربن به راحتی می‌سوزند ، این مقاومت‌ها می‌توانند تنها مقادیر کمی از توان‌های تلف شده را تحمل کنند. همچنین از آنجا که مواد پودری هستند، بسیار دقیق نیستند و تحمل کمی دارند.

 

مقاومت‌های فیلم فلزی

دقیقاً همان‌طور که از نام آن‌ها پیداست، ماده مقاومتی یک فیلم فلزی است. از آنجایی که می‌توان فیلم فلزی را به ابعاد بسیار خاص ساخته و یا کالیبره کرد، مقاومت را می‌توان به طور دقیق کنترل کرد و در نتیجه این مقاومت‌ها بسیار دقیق هستند.

 

مقاومت‌های سیم‌پیچی

ماده مقاومتی از سیم ساخته شده است. از آنجا که این سیم‌ها می‌توانند ضخامت متفاوتی داشته باشند، این مقاومت‌ها می‌توانند توان‌های بسیار بالایی را تحمل کنند و اغلب مطابق شکل نشان داده شده در اطراف یک سرامیک پیچیده می‌شوند.

 

مقاومت‌های نیمه‌هادی

این مقاومت‌ها در سیلیکون پیاده‌سازی می‌شوند و بخشی جدایی‌ناپذیر از IC های نیمه‌هادی هستند.

مجموعه ICPARS با همکاری با پخش­کنندگان بین­المللی قطعات الکترونیک، توانایی واردات انواع مقاومت­های عمومی و خاص را در مقیاس های کلی و جزئی دارد. واردات توسط مجموعه ICPARS در کمترین زمان و با بهترین قیمت در انجام می شود.

برای اطلاع از قیمت، لیست قطعات خود را هم اکنون برای ما ارسال نمایید.

 

کاربردهای مقاومت‌ها

همواره ساده‌ترین موارد بیشترین استفاده را دارند و مقاومت دقیقاً این عبارت را دنبال می‌کند.

 

محدود کردن جریان:

همان‌طور که در بالا مشاهده شد، می‌توان از مقاومت‌ها برای محدود کردن جریان موجود در مدار استفاده کرد.

تقسیم کننده ولتاژ:

این باعث می‌شود از دو مقاومت استفاده شود تا یک ولتاژ را با توجه به مقاومت‌های آن‌ها تقسیم کنیم. این تصویر موردعلاقه من برای نشان دادن افراد هنگام سؤال از تقسیم ولتاژ است:

 

این مدارها واقعاً مفید هستند. فرض کنید شما یک منبع تغذیه 5 ولت دارید و می‌خواهید یک وسیله 3.3 ولت برق داشته باشید، می‌توانید از یک تقسیم ولتاژ استفاده کنید.

 

آن‌ها همچنین به شما امکان می‌دهند ولتاژهای بالا را با کاهش مقادیر اندازه‌گیری کنید. این واقعیت توسط مولتی متر استفاده می‌شود. سوئیچ‌های چرخشی مدل‌های قدیمی به مقاومت‌های تقسیم ولتاژ متصل شده بودند که شما را قادر می‌ساخت مقیاسی را انتخاب کنید تا خواندن در محدوده کنتورهای آنالوگ باقی بماند.

 

 شنت های جریان:

این مقاومت‌ها دارای مقادیر بسیار کم هستند که برای اندازه‌گیری جریان‌ها بدون دخالت زیاد در مدار تحت آزمایش استفاده می‌شوند. آن‌ها مقادیر مقاومت کمی دارند و از توان بالایی برخوردار هستند. در این روش جریانی که باید اندازه‌گیری شود از مقاومت عبور می‌کند و افت ولتاژ در دو سر مقاومت اندازه‌گیری می‌شود. هنگامی‌که افت ولتاژ و مقدار مقاومت را بدانیم می‌توانیم از قانون اهم (V = IR) برای محاسبه مقدار جریان استفاده کنیم.

 

مقاومت‌های Pull up و Pull down:

مقاومت‌های Pull up و Pull down معمولاً در مدارهای دیجیتال برای تعریف وضعیت پیش‌فرض پین استفاده می‌شوند. مثلاً یک پین ورودی میکروکنترلر را در نظر بگیرید، هنگامی‌که هیچ ولتاژ اعمال نشده یا مدار به آن وصل نشده است، پین می‌تواند 1 یا 0 را بخواند؛ این حالت به عنوان پین شناور خوانده می‌شود. برای جلوگیری از این وضعیت، پین معمولاً با اتصال یک مقاومت به VCC Pull up و یا با اتصال یک مقاومت به زمین Pull down می‌شود. مقدار مقاومت در اینجا به طور معمول kΩ 10 خواهد بود.

 

سنسورها:

ممکن است عجیب باشد، اما بیشتر سنسورهای ساده چیزی جز یک مقاومت متغیر نیستند. می‌توان برای مثال به LDR، Flex Sensor و غیره اشاره نمود.

 

به عنوان مثال، LDR مقاومت‌های خاصی هستند که مقاومت آن‌ها با میزان نوری که بر روی تابیده می‌شود، متفاوت است. ماده مقاومتی که این خاصیت خاص را به آن‌ها می‌دهد دی سولفید کادمیوم است. آن‌ها در مواردی مانند لامپ‌های شب و ردیاب‌های تاریک استفاده می‌شوند.

مواردی که باید در هنگام استفاده از یک مقاومت در ذهن داشته باشید

 

اتلاف توان:

دوباره تأکید می‌کنیم که هرگز مقاومتی را انتخاب نکنید که دارای توان کمتر از چیزی باشد که می‌خواهید از آن استفاده کنید. یک قانون خوب این است که یک مقاومت با حداقل توان دو برابر انتخاب کنید.

 

ضرایب دمایی:

این مهم است که هنگام کار با مقاومت‌هایی که در درجه حرارت بالا یا جریان زیاد استفاده می‌شوند، توجه کافی داشته باشید؛ زیرا تغییر مقاومت کاملاً چشمگیر است. دو نوع ضریب همبستگی دما وجود دارد که یکی NTC (ضریب دمای منفی) و دیگری PTC (ضریب دمای مثبت). برای NTC مقاومت با افزایش دمای اطراف آن کاهش می‌یابد و برای PTC مقاومت با افزایش دمای اطراف آن افزایش می‌یابد.

این خاصیت توسط برخی از سنسورها مانند Thermistors برای اندازه‌گیری دما نیز استفاده می‌شود.