آشنایی با انواع مقاومت

مقاومت‌ها اساسی‌ترین و پر استفاده‌ترین قطعه در بین تمامی قطعات الکترونیکی هستند، تا حدی که مسلم به شمار می‌روند، اما در مدار نقشی حیاتی دارند.

از مقاومت‌های تراشه‌ای نصب-سطحی (Surface Mount Chip) تا مقاومت‌های سیم پیچی بزرگ، انواع مختلفی از مقاومت‌ها وجود دارد که سازنده بردهای الکترونیک می‌تواند انتخاب کند.

وظیفه اصلی مقاومت در مدار الکتریکی یا الکترونیکی، تعدیل یا تنظیم جریان الکترون عبوری از آن (جریان الکتریکی) و یا «مقاومت کردن» در برابر آن است (که نام قطعه نیز از این رو انتخاب شده است)؛ این امر با استفاده از نوع ماده رسانا که در ساخت مقاومت استفاده شده، امکان پذیر است. مقاومت‌ها همچنین می توانند در ترکیب‌های مختلف سری و موازی به یکدیگر متصل شده و شبکه‌های مقاومت را تشکیل دهند که می‌توانند برای افت ولتاژ، تقسیم ولتاژ یا محدود کردن جریان در یک مدار عمل کنند.

مقاومت‌ها «دستگاه‌های پسیو (غیر فعال)» نامیده می‌شوند، به این معنی که هیچ منبع تغذیه یا تقویت کننده‌ای ندارند، بلکه سیگنال ولتاژ یا جریان عبوری از خود را تضعیف کرده یا کاهش می‌دهند. این تضعیف منجر به از بین رفتن انرژی الکتریکی به شکل گرما می‌شود، چراکه مقاومت در برابر جریان الکترون، مقاومت می‌کند.

مقاومت ۲۰ اهمی

پس یک اختلاف پتانسیل بین دو پایه مقاومت برای ایجاد جریان مورد نیاز است. این اختلاف پتانسیل باعث تعادل انرژی از دست رفته می‌شود. هنگامی که در مدارهای DC استفاده می‌شود، اختلاف پتانسیل، که به آن افت ولتاژ مقاومت نیز می‌گویند، با عبور جریان مدار از مقاومت، بین دو پایه مقاومت اندازه گیری می‌شود.

بیشتر انواع مقاومت‌ها دستگاه‌های خطی هستند که وقتی جریان الکتریکی از آن‌ها عبور می‌کند، افت ولتاژ ایجاد می‌کنند، چراکه از قانون اهم پیروی می‌کنند. مقادیر مختلف مقاومت، مقادیر مختلف جریان یا ولتاژ را تولید می‌کند. این می‌تواند در مدارهای الکترونیکی بسیار مفید باشد. با کنترل یا کاهش جریان یا ولتاژ تولید شده در آن‌ها می‌توانیم یک مبدل ولتاژ به جریان و جریان به ولتاژ تولید کنیم.

هزاران نوع مختلف مقاومت وجود دارد و به اشکال مختلفی تولید می‌شوند زیرا مشخصات و دقت آن‌ها برای برخی حوزه‌های خاص مانند پایداری بالا، ولتاژ بالا، جریان زیاد و غیره مناسب است و یا در جایی که مشخصات آن‌ها از اهمیت کمتری برخوردار است، از آن‌ها با اهداف عمومی استفاده می‌شود.

برخی از خصوصیات متداول مرتبط با این قطعه فروتن عبارتند از: ضریب دما، ضریب ولتاژ، نویز، پاسخ فرکانس، توان و همچنین دامنه دمایی مقاومت، اندازه فیزیکی و قابلیت اطمینان آن.

در تمام نمودارها و شماتیک‌های مدارهای الکتریکی و الکترونیکی، متداول‌ترین نماد مورد استفاده برای مقاومت با مقدار ثابت، یک خط «زیگ زاگ» است و مقدار مقاومت به اهم (Ω) ارائه می‌شود.

نمادی که در شماتیک‌ها و نقشه‌های الکتریکی برای مقاومت‌ها استفاده می‌شود، عموما یک خط «زیگ-زاگ» یا یک مستطیل است.

 مقاومت‌ها مقادیر ثابت متفاوتی از کمتر از یک اهم (<1Ω) تا بیش از ده‌ها میلیون اهم (>10MΩ) دارند.

مقاومت‌های ثابت فقط یک مقدار مقاومت دارند، به عنوان مثال ۱۰۰Ω، اما مقاومت‌های متغیر (پتانسیومترها) می‌توانند مقادیر بی‌شماری بین صفر و حداکثر مقدار خود به وجود آورند.

انواع مقاومت‌های ثابت مدرن

تمام مقاومت‌های ثابت مدرن را می‌توان در چهار گروه گسترده طبقه بندی کرد:

• مقاومت ترکیبی کربن – ساخته شده از گرد کربن یا خمیر گرافیت، توان پایین
• مقاومت فیلم یا سرمت – ساخته شده از خمیر اکسید فلز رسانا، توان بسیار پایین
• مقاومت سیم پیچی – بدنه های فلزی برای نصب هیت سینک ، توان بسیار بالا
• مقاومت نیمه هادی – فناوری فیلم نازک با سطح فرکانس/دقت بالا

انواع مختلفی از مقاومت‌های ثابت و متغیر با سبک‌های ساخت مختلف برای هر گروه وجود دارد که هر یک از آن‌ها دارای ویژگی‌ها، مزایا و معایب خاص خود در مقایسه با گروه‌های دیگر هستند. گنجاندن همه آن‌ها در این بخش میسر نیست، بنابراین آن را به متداول‌ترین و رایج‌ترین انواع مقاومت‌ها محدود می‌کنیم.

مقاومت‌های نوع ترکیبی

مقاومت‌های کربنی متداول‌ترین نوع مقاومت‌های ترکیبی هستند. مقاومت کربنی یک مقاومت ارزان قیمت عمومی است که در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی استفاده می‌شود. عنصر مقاومتی آن‌ها از مخلوط گرد کربن یا گرافیت ریز آسیاب شده (شبیه نوک مداد) و پودر سرامیک غیر رسانا (رس)، برای کنار هم نگه داشتن آن، ساخته می‌شود.

نسبت گرد کربن به سرامیک (رسانا به عایق) مقدار مقاومت کلی مخلوط را تعیین می‌کند؛ هرچه نسبت کربن بیشتر باشد، مقاومت کلی پایین‌تر است. پیش از آنکه با یک پوشش بیرونی عایق شده و با نوارهای رنگی علامت گذاری شود تا نشان دهنده مقاومت آن باشد، این مخلوط، همان طور که در تصویر مشاهده می‌شود، به شکل استوانه‌ای قالب داده شده و به دو سر آن پایه‌های فلزی متصل می‌شود.

مقاومت کربنی

مقاومت کربنی

ساختار یک مقاومت کربنی

مقاومت ترکیب کربن، یک مقاومت با توان کم تا متوسط با اندوکتانس (القای مغناطیسی) پایین است که برای کاربردهای با فرکانس بالا ایده آل می‌باشد، اما وقتی دمای آن بالا برود، از نویز و پایداری رنج می‌برد. مقاومت‌های ترکیب کربنی عموما با پیشوند «CR» علامت گذاری می‌شوند (به عنوان مثال، CR10kΩ) و در بسته‌های E6 (تلورانس (دقت) ±20%)، E12 (تلورانس ±10%) و E24 (تلورانس ±5%) با رتبه توان 0.250 یا یک چهارم وات تا 5 وات موجود هستند.

ساخت انواع مقاومت ترکیب کربنی بسیار ارزان است و به همین دلیل در مدارهای الکتریکی به طور متداول استفاده می شود. با این حال، به دلیل فرآیند ساخت، مقاومت‌های نوع کربن دارای تلورانس بسیار زیادی هستند، بنابراین برای مقاومت‌های با دقت بیشتر و مقدار زیاد، از مقاومت‌های نوع فیلم استفاده می شود.

مقاومت فیلم فلزی

اصطلاح عمومی «مقاومت فیلمی» شامل انواع مقاومت فیلم (لایه) فلزی، فیلم کربن و فیلم اکسید فلز است که به طور کلی با ته نشین کردن یک لایه از فلزات خالص، مانند نیکل، یا یک فیلم اکسید، مانند اکسید قلع، بر روی یک میله یا بستر سرامیک عایق ساخته می‌شوند.

مقدار مقاومت قطعه با افزایش ضخامت مطلوب فیلم کنترل شده و با این کار به آن‌ها نام «مقاومت‌های فیلم ضخیم» یا «مقاومت‌های فیلم نازک» داده می‌شود.

پس از ته نشینی، از لیزر برای برش یک الگوی شیار مارپیچی با دقت بالا در این فیلم استفاده می‌شود. برش فیلم باعث افزایش مسیر رسانا یا مقاومت می‌شود، کمی شبیه به پیچیدن یک سیم و تشکیل آن به یک سیم پیچ.

مقدار مقاومت قطعه با افزایش ضخامت مطلوب فیلم کنترل شده و با این کار به آن‌ها نام «مقاومت‌های فیلم ضخیم» یا «مقاومت‌های فیلم نازک» داده می‌شود.

این روش ساخت در مقایسه با انواع ساده‌تر ترکیب کربن، مقاومت‌هایی با تلورانس پایین‌تر (1% یا کمتر) را امکان پذیر می‌سازد. تلورانس (دقت) یک مقاومت، تفاوت بین مقدار ترجیحی (مثلا 100 اهم) و مقدار واقعی تولید شده آن (مثلا 103.6 اهم) است و به صورت درصد بیان می‌شود، به عنوان مثال 5%، 10%، در مثال بالا، تلورانس واقعی 3.6% است. همچنین مقاومت‌های نوع فیلم در مقایسه با انواع دیگر، به مقادیر بسیار بالاتری دست می‌یابند و مقادیر بیش از 10MΩ (10 میلیون اهم) نیز موجود است.

مقاومت فیلم فلزی

مقاومت‌های فیلم فلزی، نسبت به معادل کربنی خود، دارای ثبات دمایی بسیار بهتر، نویز کمتر و به طور کلی برای کاربردهای فرکانس بالا یا فرکانس رادیویی بهتر هستند. مقاومت‌های اکسید فلزی دارای قابلیت تحمل بسیار بهتری در مقابل جریان هجومی بوده و دامنه دمای بسیار بزرگ‌تری نسبت به مقاومت‌های فیلم فلزی دارند.

نوع دیگری از مقاومت فیلم که معمولا به عنوان مقاومت فیلم ضخیم شناخته می شود، با ته نشین کردن یک خمیر رسانای بسیار ضخیم تر از سرامیک (CERamic) و فلز (METal)، به نام سرمت (CERMET)، بر روی بستر سرامیک آلومینیوم اکسید تولید می‌شود. مقاومت‌های سرمت دارای ویژگی‌هایی مشابه مقاومت‌های فیلم فلزی هستند و معمولاً برای ساخت مقاومت‌های تراشه‌ای نصب-سطحی، شبکه‌های چند مقاومتی در یک بسته برای pcb ها و مقاومت‌های فرکانس بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند. آنها از پایداری دما، نویز کم و ولتاژ خوبی برخوردار هستند اما در مقابل جریان هجومی تحمل کمی دارند.

مقاومت‌های فیلم فلزی با پیشوند «MFR» (به عنوان مثال، MFR100kΩ) و مقاومت‌های فیلم کربنی با پیشوند «CF» علامت گذاری می‌شوند. مقاومت‌های فیلم فلزی در بسته‌های E24 (تلورانس‌های ±5% و ±2%)، E96 (تلورانس ±1%) و E192 (تلورانس‌های ±0.5%، ±0.25% و ±0.1%) با توان 0.05 (یک بیستم) وات تا نیم وات موجود هستند. به طور کلی، مقاومت‌های فیلم و به ویژه مقاومت‌های فیلم فلزی، قطعات با دقت بالا و توان کم هستند.

مقاومت‌های نوع سیم پیچی

یک مقاومت سیم پیچی

نوع دیگری از مقاومت، به نام مقاومت سیم پیچی، با پیچیدن مارپیچی یک سیم نازک از جنس آلیاژ فلز (نیکل و کروم، یا نیکروم) یا سیم مشابه بر روی یک سرامیک عایق (مشابه مقاومت فیلم)، ساخته می شود.

این نوع مقاومت‌ها، به دلیل قطر سیم و تعداد دورهای ممکن به دور سرامیک عایق، فقط در مقادیر بسیار کم و با دقت بالا (از 0.01Ω تا 100kΩ) در دسترس بوده و برای استفاده در مدارهای اندازه‌گیری و کاربردهای پل وتستون ایده‌آل هستند. آن‌ها همچنین دارای توان‌های بیش از 300 وات بوده و نسبت به مقاومت‌های دیگر با مقادیر یکسان، قادر به تحمل جریان‌های الکتریکی بسیار بالاتر هستند. این مقاومت‌های توان بالا، در هیت سینک‌های (سینک‌های حرارتی) آلومینیومی پره‌دار برای اتلاف گرما و خنک سازی، قالب بندی و جاسازی می‌شوند.

به این نوع مقاومت‌های خاص «مقاومت نصب شده بر شاسی» گفته می‌شود زیرا به گونه ای طراحی شده‌اند که به طور فیزیکی بر روی هیت سینک یا صفحات فلزی سوار می‌شوند تا گرمای تولید شده را بیشتر پراکنده کنند. نصب مقاومت بر روی هیت سینک قابلیت تحمل جریان آن‌ها را حتی بیشتر می‌کند.

نوع دیگر مقاومت‌های سیم پیچی، مقاومت سیم پیچی قدرت است. این‌ها انواع مقاومت غیر القایی با دما و توان بالا هستند که معمولا با لعاب اپوکسی شفاف (شیشه‌ای) پوشیده می‌شوند و برای استفاده در بانک‌های مقاومت یا کنترل سروو/موتور‌های DC و ترمزهای دینامیک به کار می‌روند. حتی می‌توان از آن‌ها به عنوان گرمکن‌های کم توان در فضاهای کوچک یا کابینت استفاده کرد.

سیم مقاومت غیر القایی به دور یک لوله سرامیکی یا پورسلین (چینی) پوشانده شده با میکا پیچیده می‌شود تا از حرکت سیم‌های آلیاژی هنگام داغ شدن، جلوگیری کند. مقاومت‌های سیم پیچی با مقادیر مختلف مقاومت و توان موجود هستند. یکی از کاربردهای اصلی مقاومت سیم پیچی در المنت‌های هیتر (بخاری) برقی است که جریان الکتریکی عبوری از خود را به گرما تبدیل می‌کند به صورتی که هر المنت تا 1000 وات (1kW) انرژی اتلاف می‌کند.

از آنجا که سیم مقاومت‌های سیم پیچی استاندارد به طور مارپیچ دور بدنه مقاومت پیچیده می‌شود، مانند یک سلف عمل کرده و علاوه بر مقاومت، باعث القا می‌شود. این امر با تولید یک تغییر فاز در فرکانس‌های بالا، خصوصا در ابعاد بزرگ‌تر، بر نحوه رفتار مقاومت در مدارهای AC تأثیر می‌گذارد. طول مسیر مقاومت واقعی در قطعه و پایه‌ها، یک اندوکتانس سری با مقاومت DC «ظاهری» ایجاد کرده و یک مسیر امپدانس کلی به مقدار Z اهم را به وجود می‌آورد.

امپدانس (Z)، اثر ترکیبی مقاومت (R) و اندوکتانس (X) است که با اهم اندازه گیری می‌شود و برای یک مدار AC سری به صورت Z۲ = R۲ + X۲ محاسبه می‌شود.

هنگامی که در مدارهای AC استفاده می‌شود، مقدار اندوکتانس با فرکانس تغییر می کند (راکتانس القایی، XL = 2πfL) و بنابراین، مقدار کلی مقاومت تغییر می‌کند. راکتانس (واکنش پذیری) القایی با فرکانس افزایش می یابد اما در DC صفر است (فرکانس صفر). پس در مدارهای AC و یا انواع تقویت کننده، که فرکانس مقاومت تغییر می‌کند، نباید از مقاومت‌های سیم پیچی استفاده شود. با این وجود، مقاومت‌های سیم پیچی غیر القایی ویژه نیز موجود هستند.

مقاومت سیم پیچی

ساختار یک مقاومت سیم پیچی

انواع مقاومت های سیم پیچی با پیشوند «WH» یا «W» علامت گذاری می‌شوند (به عنوان مثال WH10Ω) و در بسته بندی WH با روکش آلومینیوم (تلورانس ±1%، ±2%، ±5% و ±10%) یا بسته بندی W با لعاب شفاف (تلورانس ±1%، ±2% و ±5%) با توان‌های 1W تا 300W یا بیشتر موجود هستند.

خلاصه انواع مقاومت

به طور خلاصه، انواع مختلفی از مقاومت‌ها، از جمله مقاومت‌های کم هزینه با تلورانس زیاد و از جنس کربن، مقاومت‌های پر هزینه با تلورانس کم و دقت بالا از نوع فیلم و همچنین مقاومت‌های سرامیکی سیم پیچی با توان بالا وجود دارد. یک مقاومت جریان الکتریکی را در یک مسیر خاص تعدیل یا تنظیم کرده و یا در مقابل آن مقاومت می‌کند؛ یا می‌توان از آن برای افت ولتاژ در یک مدار الکتریکی استفاده کرد.

مقدار مقاومت یک قطعه، یا به عبارت دیگر، توانایی آن در محدود کردن جریان، با کمیت اهم (Ω) اندازه گیری می‌شود که از کمتر از یک اهم تا چند میلیون اهم (مگا اهم) متغیر است. مقاومت ها می‌توانند یک مقدار ثابت داشته باشند، مثلا ۱۰۰ اهم (۱۰۰Ω) یا متغیر باشند مثلا ۰ تا ۱۰۰ اهم.

یک مقاومت، فارغ از فرکانس منبع، از DC تا فرکانس های بسیار بالا، همواره مقدار یکسانی خواهد داشت، و همه مقاومت‌ها در یک چیز مشترک هستند: مقدار مقاومت آنها به اهم در یک مدار، همیشه ماهیت مثبت خواهد داشت و هرگز منفی نیست.

استفاده‌ها و کاربردهای مقاومت در مدارهای الکتریکی یا الکترونیکی بسیار گسترده و متنوع است و تقریبا در طراحی هر مدار الکترونیکی از یک یا چند نوع مقاومت استفاده شده است. مقاومت ها عموما برای مقاصدی مانند محدود کردن جریان، تأمین ولتاژ کنترل مناسب به دستگاه‌های نیمه رسانا مانند ترانزیستورهای دو قطبی، محافظت از LED ها یا سایر وسایل نیمه رسانا در مقابل آسیب اضافه جریان و همچنین تنظیم یا محدود کردن پاسخ فرکانس در مدار صوتی یا فیلتر استفاده می‌شوند.

در مدارهای دیجیتالی، می‌توان از انواع مختلف مقاومت برای بالا بردن یا پایین آوردن ولتاژ در پین ورودی تراشه منطقی دیجیتال یا کنترل ولتاژ در یک نقطه از مدار با قرار دادن دو مقاومت به صورت سری و ایجاد یک شبکه تقسیم ولتاژ، استفاده کرد. این لیست بی پایان است!

در آموزش بعدی در مورد مقاومت‌ها ، ما به روش های مختلفی برای شناسایی مقدار انواع مختلف مقاومت‌های ثابت نگاه خواهیم کرد که متداول ترین روش شناسایی، استفاده از کد رنگ و نوارهای رنگی در اطراف بدنه مقاومت است.