آشنایی با مقاومت های خطی و غیرخطی در مدارهای الکترونیکی(Resistor)

مقاومت در مدارهای الکترونیکی

شاید بتوان گفت که مقاومت ستون فقرات هزاران مدار الکترونیکی هستند. برای طراحی یک مدار، باید مفهوم روشنی از این اجزا داشت. اکنون بیایید به معرفی آن بپردازیم:

همانطور که از نام آن پیداست، مقاومت، میزان مقاومت جریان در مدار را نشان می دهد. شکل لوله مانندی و در ابتدا و انتهای آن سیم دارد. می توان مقاومت را به صورت زیر تعریف کرد:

مقاومت یک قطعه الکتریکی پسیو و دو پایه ای است که در مدارهای الکترونیکی برای ایجاد مقاومت الکتریکی در برابر جریان استفاده می شود. وقتی از آن در مدارهای الکترونیکی استفاده می کنیم، جریان ناگهانی در مدارها را کاهش می دهد، قطعات اکتیو مثل ترانزیستور، دیود و تراشه ها را بایاس می کند، ولتاژهای موجود در مدار را تقسیم می کند و کارهای دیگری را انجام می دهد.

منظور ازجریان، جریان الکترون است، این جریان باید تا حدی در برابر آن مقاومت کرد تا اجزای مورد استفاده در مدار از آسیب در امان باشند. برای کنترل این جریان باید تصور روشنی از مقاومت داشت.  هر مقاومت دارای دو سیم است که به آنها پایه نیز می گویند. بین این دو پایه یک قسمت سرامیکی وجود دارد که در واقع در برابر جریان الکتریکی مقاومت می کند. واحد اندازه گیری مقاومت اهم (Ohm) نامیده می شود. اهم با حرف یونانی امگا Ω نشان داده می شود. 

اگر اختلاف پتانسیل بین دو سر هادی 1 ولت و جریانی که از آن می گذرد 1 آمپر باشد، مقاومت یک اهم در نظر گرفته می شود.

مقاومت را می توان از قانون اهم بدست آورد که نشان می دهد ولتاژ مستقیماً با جریان عبوری از هادی متناسب است.

V= I * R

مقدار مقاومت الکتریکی هر مقاومتی به طول و سطح مقطع ماده ساخته شده آن نیز بستگی دارد. همچنین در برخی از مقاومت ها مقدار اهم آن با تغییرات دما بطور غیرخطی افزایش یا کاهش می یابد. دو نوع ضریب دما وجود دارد. ضریب دمایی مثبت و ضریب دمایی منفی. اگر مقاومت با افزایش دما افزایش یابد به آن ضریب دمایی مثبت و اگر مقاومت با کاهش دما کاهش یابد آن را ضریب دمایی منفی می نامند.

مقدار مقاومت با نوار رنگ های مختلف تعیین می شود. هر رنگ معنایی با مقدار متفاوت دارد.

مقاومت های معمولی دارای چهار نوار رنگی هستند.

همانطور که در شکل بالا مشاهده می کنید، چهار نوار رنگی روی مقاومت وجود دارد که در آنها:

نوار اول قرمز است.

نوار دوم سبز است.

نوار سوم مشکی است.

نوار چهارم طلایی است.

حالا اجازه دهید ابتدا این مقادیر رنگ را مورد بحث قرار دهیم و سپس به این مثال برگردیم.

سه نوار رنگی اول می توانند 9 نوار رنگی مختلف داشته باشند که این رنگ ها به همراه مقادیر آنها در جدول زیر نشان داده شده است

حالا که مقادیر هر نوار رنگی را دانستید،اجازه دهید به شما بگویم که چگونه مقدار مقاومت را از این کدهای رنگی بدست آورید.

1. مقادیر نوار رنگ اول و دوم همانطور که هست نوشته می شود.
2. در مثال های بالا اولین باند قرمز بود و مقدار نوار قرمز مطابق جدو.ل 2 است.
3. نوار دوم سبز بود و ارزش آن 5 است.
4. مقدار نوار سوم تعداد صفرهایی را که بعد از این دو مقدار می آیند را نشان می دهد.
5. از آنجایی که رنگ سوم سیاه است و مقدار آن 0 است، پس به این معنی است که بعد از دو مقدار اول، صفر نمی آید، بنابراین این مقاومت 25 اهم است.

حال بیایید نوار رنگ چهارم را مورد بحث قرار دهیم.

معمولاً در پروژه های ساده در نظر گرفته نمی شود، اما باید بدانید که به چه معناست.

نوار رنگ چهارم می تواند طلایی یا نقره ای باشد و میزان خطای مقدار اهم مقاومت را تعیین می کند.

اگر نوار رنگ چهارم طلایی باشد، به این معنی است که تلرانس (بازه خطای مقدار اهم) مقاومت +-%5 و اگر نقره ای باشد به این معنی است که تلرانس آن +-10% است.

اگر نوار رنگی چهارم وجود نداشته باشد به این معنی است که مقاومت فقط سه نوار رنگی دارد، به این معنی است که تلرانس آن +-20% است.

 بیایید مثال دیگری از مقاومت را که در زیر آورده شده است، مورد بحث قرار دهیم:

اولین نوار قهوه ای است بنابراین مقدار اول 1 است.

باند دوم سیاه است بنابراین مقدار دوم 0 خواهد بود.

باند سوم قرمز و مقدار آن 2 است، بنابراین بعد از دو مقدار اول، دو صفر وجود خواهد داشت.

بنابراین، مقدار کلی 1000 اهم می شود یا می توانید بگویید 1K اهم.

از آنجاییکه آخرین باند نقره ای است، لذا دارای تلرانس +-10% است یعنی مقاومت در بازه 900 الی 1100 اهم با تغییرات دمایی و شرایط محیطی تغییرات خواهد داشت.

برای مقاومت هایی با تعداد نوار رنگی 5 یا 6 رنگ از جدول کامل تر زیر می توان مقدار اهم و تلرانس خطای آن را خواند

مثال:

البته روش دیگری نیز برای خواندن اهم مقاومت ها وجود دارد و آن هم استفاده از مولتی متر است.

انواع مقاومت های خطی و غیر خطی

همانطور که گفتیم هدف اصلی مقاومت محدود کردن جریان عبوری از قطعه است.

فرض کنید، اگر بخواهیم LED را با منبع مستقیم DC یعنی باتری وصل کنیم، در همان لحظه ای که LED را به باتری وصل می کنید، می سوزد. دلیل این امر به مشخصه جریان-ولتاژ دیود مربوط است که در ولتاژهای کم جریان می تواند به سمت بینهایت برود. برای اطلاعات بیشتر به مقاله دیود مراجعه کنید. 

و چون باتری اجازه می دهد تا مقدار زیادی جریان از مسیر دیود عبور کند باعث سوختن آن می شود.

اگر مقاومت را بین باتری و LED قرار دهیم، می توان از آسیب شدید LED جلوگیری کرد. این مقدار جریان عبوری از LED را کنترل می کند.

مقدار مقاومتی که استفاده می کنید به مقدار ولتاژ و جریان کاری دیود نورانی بستگی دارد. 

می توانیم مقاومت را با استفاده از قانون اهم محاسبه کنیم. فرض کنید LED داریم که ولتاژ 1 ولت و منبه تغدیه ما 12 ولت و جریان مورد نیاز ال ای دی 10 میلی آمپر یا است. از قانون اهم داریم : V=IR، بنابراین R= V/I

R=(12-1)/0.01= 1200 Ohm

مقاومت ها عمدتاً به دو نوع طبقه بندی می شوند:

مقاومت های خطی

مقاومت های غیر خطی

 الف) مقاومت های خطی

به مقاومت‌هایی مقاومت‌ خطی گفته می‌شود که جریان با ولتاژ اعمال شده به دو سر آن نسبت مستقیم دارد.

میزان اهم این مقاومت ها با تغییر دما و ولتاژ تغییر می کند.

به عبارت دیگر، مقاومت هایی که از قانون اهم پیروی می کنند، مقاومت های خطی هستند.

مقاومت های خطی خود به دو نوع طبقه بندی می شوند

مقاومت های ثابت

مقاومت های متغیر

مقاومت های ثابت

• 1)مقاومت ترکیب کربن

مقاومت‌های ترکیب کربن از عنصر مقاوم صلب تشکیل شده‌اند که با سیم سربی ترکیب شده است. بدنه مقاومت با پلاستیک یا رنگ پوشیده شده است.

عنصر مقاومت در وسط سیم های سربی حاوی کربن ریز و مواد عایق است که معمولاً از جنس سرامیک است. میزان اهم چنین مقاومت هایی با نسبت سرامیک به کربن اندازه گیری می شود.

مقدار مقاومت به طور گسترده ای به غلظت مقدار کربن بستگی دارد. هر چه غلظت کربن بیشتر باشد، مقاومت کمتر خواهد بود.

مقاومت های ترکیب کربن با پایداری ضعیف و تلرانس 5 درصد عرضه می شوند.

این مقاومت ها به دلیل قیمت بالایشان منسوخ شده اند اما همچنان در بردهای کنترلی و منابع تغذیه قدیمی استفاده می شوند.

میزان اهم چنین مقاومت هایی از چند اهم تا 22 مگا اهم متغیر است.

• 2)مقاومت دیسک کربنی

یک مقاومت دیسک کربن از لایه‌هایی از دیسک‌های کربنی تشکیل شده است که بین دو صفحه فلزی قرار گرفته‌اند.

این مقاومت ها به طور گسترده در فرستنده های رادیویی استفاده می شوند.

یک مقاومت دیسک کربن همچنین می تواند در ژنراتورها استفاده شود، جایی که جریان را تنظیم می کند تا ولتاژ را در حالت خاصی نگه دارد.

• 3)مقاومت فیلم کربن

مقاومت فیلم کربنی از کربن آمورف تشکیل شده است که مقاومت نسبتاً زیادی را ایجاد می کند.

این مقاومت ها در مقایسه با مقاومت ترکیب کربن دارای نویز کم هستند.

مقاومت فیلم کربنی دارای قدرتی بین 0.125 تا 5 وات با مقاومت 1 اهم تا 10 مگا اهم است. این مقاومت ها در جاهاییکه به پایداری بالایی نیاز است استفاده می شود.

• 4)مقاومت فیلم ضخیم

مقاومت های فیلم ضخیم به شکل SMD (نصب سطحی) هستند.

مقاومت های لایه نازک و ضخیم هر دو به یک روش تولید می شوند، اما تفاوت اصلی عنصر مقاومتی است که در مقاومت های فیلم ضخیم این عنصر نسبتاً بزرگتر از مقاومت های لایه نازک است.

• 5)مقاومت لایه نازک

مقاومت لایه نازک از میله سرامیکی و مواد مقاومتی تشکیل شده است.

یک لایه بسیار نازک از مواد رسانا روی میله عایق قرار می گیرد که از سیلیکون یا مواد سرامیکی ساخته شده است. این روش ساخت لایه نازک را رسوب در خلاء می نامند.

هنگامی که مقاومت لایه نازک تولید می شود، مقدار دقیقی برای مقاومت ایجاد نمی کند.

مقدار مقاومت را می توان با فرآیندی به نام برش لیزری دقیق ساخت.

این مقاومت ها در محدوده تلرانسی بین 1٪ تا 5٪ قرار دارد و سطح نویز بسیار کمتری نسبت به مقاومت های فیلم ضخیم دارند.

در مقایسه با مقاومت های فیلم ضخیم، مقاومت های لایه نازک بسیار گران هستند.

• 6) مقاومت های سیمی

مقاومت های سیمی (سیم پیچی) به طور گسترده در بسیاری از کاربردهای الکتریکی استفاده می شود. آنها با پیچاندن یک سیم فلزی به دور هسته فایبرگلاس یا مواد سرامیکی تولید می شوند.

این مقاومت ها قابلیت تحمل دمای بالا تا 450 درجه سانتیگراد را دارند.

از آنجایی که مقاومت های سیم پیچی مانند سیم پیچ هستند بنابراین در مقایسه با مقاومت های دیگر ارزش اندوکتانس بالایی را به دنبال خواهند داشت.

هر دوی، مقاومت های ترکیب کربن و مقاومت های سیمی دارای یک کاربرد هستند، به جز اینکه در شرایط فرکانس بالا، پاسخ فرکانسی مقاومت های ترکیب کربن بهتر از مقاومت های سیمی است.

مقاومت های متغیر

مقاومت‌های متغیر به مقاومت‌های گفته می‌شود که مقادیر آن‌ها را می‌توان به صورت دستی با پیچ، دستگیره یا صفحه تنظیم کرد.

این مقاومت ها دارای بازوی کشویی هستند که به شفت متصل می شوند.

مقدار مقاومت را می توان با چرخاندن بازوی کشویی تغییر داد.

آنها عمدتاً به دو نوع تقسیم می شوند:

رئوستا

پتانسیومتر

1. رئوستا

مقاومت های رئوستا به عنوان مقاومت های سیم پیچی شده متغیر شناخته می شوند.

رئوستا یک تجهیز سه ترمینالی است که عمدتاً برای محدود کردن مقدار جریان استفاده می شود.

برای ایجاد رئوستا، سیم با جنس نیکروم دور یک هسته سرامیکی پیچیده می شود، سپس آنها را در یک پوسته پوشیده قرار می دهند.

1. پتانسیومتر (Potentiometer)

پتانسیومتر یک قطعه سه پایانه است که که با چرخش شفت مقدار مقاومت آن تنظیم می شوند.

می توان از آن برای ایجاد اختلاف پتانسیل بین دو ترمینال متصل به نقاط استفاده کرد.

این نوع مقاومت به طور گسترده ای برای کنترل صدا در بسیاری از گیرنده های رادیویی استفاده می شوند.

به طور بالقوه هیچ تفاوتی بین رئوستا و پتانسیومتر وجود ندارد، با این حال، این دو برای هدف متفاوت استفاده می شوند.

رئوستا برای کنترل سطح جریان در مدار استفاده می شود در حالی که پتانسیومتر برای کنترل ولتاژ در مدار استفاده می شود.

ب)مقاومت های غیرخطی

به مقاومت‌هایی غیر خطی گفته می‌شوند که از قانون اهم پیروی نمی‌کنند، اما مقدار مقاومت‌هایشان با تغییر جزئی دما یا جریان تغییر می‌کند.

مقاومت های غیر خطی به دو نوع تقسیم می شوند:

ترمیستور

واریستور

 ترمیستور

اگر جریانی که از آن عبور می‌کند با تغییر دما تغییر کند، مقاومت‌ها را ترمیستور می‌نامند.

ترمیستور اساساً یک قطعه دو ترمینال است که از شبیه مقاومت متغیر عمل می کند و حتی تغییر جزئی دما را نشان می دهد.

در ترمیستور مقاومت و دما با یکدیگر نسبت معکوس دارند. NTC و PTC از انواع ترمیستورها هستند. در NTC در دمای 25 درجه سانتیگراد مقاومت همان مقدار اهمی است که بر روی قطعه درج شده و با افزایش دما مقدار اهم آن کاهش می یابد. در PTC این عمل بطور معکوس رخ می دهد. در شکل زیر رفتار غیرخطی یک NTC نمایش داده شده است.

رابطه بین مقاومت و دما در یک ترمیستور NTC توسط معادله زیر کنترل می شود:

نماد الکترونیکی ترمیستور به صورت زیر است 

که در آن:

• مقاومت در دمای T (K) (کلوین) است
• مقاومت در دمای (K)  است.
• دمای مرجع است (معمولاً 25 درجه سانتیگراد)
• β یک ثابت است، که مقدار آن به ویژگی های ماده بستگی دارد. معمولا مقدار اسمی 4000 در نظر گرفته شده است.

وریستور

اگر جریانی که از آن عبور می کند با تغییر ولتاژ اعمال شده تغییر کند، مقاومت را وریستور (مقاومت وابسته به ولتاژ یا همان VDR) می نامند.

این مقاومت ها به ولتاژ حساس هستند و مدارها را در برابر ولتاژهای زیاد و شوک های حاصل از سوییچ زنی حفاظت می کند.  رایج ترین نوع VDR وریستور اکسید فلزی یا MOV است.

بنابراین این قطعات برای حفظ ولتاژ در سطح مورد نیاز استفاده می شوند. بطور مثال در یک سیستم که با برق 110 ولت کار می کند در سر راه برق ورودی یک وریستور با حدود ولتاژ 120تا 130 قرار می دهند تا اگر بطور اشتباه این دستگاه به برق 220 ولت زده شود وریستور خود را فدا کند و همانند یک فیوز قطع شود.

وریستور به طور موازی با ولتاژ ورودی قرار می گیرد و در صورتیکه ولتاژ اعمال شده به آن از ولتاژ کاری اش بیشتر باشد مقاومتش بطور غیرخطی کاهش یافته و در نتیجه جریان عبوری از آن زیاد می شود و منفجر خواهد شد که همراه با بوی زیاد سوختگی همراه است و کاربر را متوجه می کند که نباید از دستگاه استفاده کند.

نماد الکترونیکی VDR به صورت زیر است:

نحوه خواندن مشخصات وریستور

 با یک مثال شروع می کنیم. فرض کنید نوشته های روی وریستور به صورت زیر است:

20e222k : عدد اول (از سمت چپ) قطر وریستور بر حسب میلی متر است، حرف e بعد عدد استاندارد وریستور است، و بخش مهم این عدد بعد حرف e است که مثلا در اینجا222 است این عدد را می گوییم ولتاژ شکست و روش خواندن آن به این شکل است که 2 یعنی عدد اول خودش را می نویسیم عدد دوم هم 2 خودش را می نویسم و به جای عدد آخر که عدد 2 است که می توانست هر عدد دیگری هم باشد به تعدادش صفر می گذاریم که می شود(2200) 2 دهم کیلو ولت که این را برای مدل های خاصی استفاده می کنیم. که حالا آن که برای 220 ولت است می تواند به شکل 10e471k باشد:

که اصطلاحاً به این وریستور وریستور 220 ولتی می گوییم چون در تمام مدار های 220 ولتی از این وریستور استفاده می کنیم به این دلیل که 220 ولتاژ موثر است و برای محاسبه ولتاژ پیک باید در 1.4 ضرب شود. بنابراین پیک ولتاژ برق شهر حدوداً 308 ولت است، اما در وریستور با ولتاژ های موثر کار می کنیم اگر ولنتاژ ما به صورت سینوسی هستم که بالا پیک مثبت+ و پایین پیک منفی_ یعنی بالا بشود 110+ و پایین بشود110- که مجموعا می شود 220 ولت.

وریستور TVS: نوعی دیود زنر با توان بالاتر و قابیلت دفع انرژی بالاتر است. این نوع وریستورها جایگزین وریستورهای متال اکسید (MOV) می شوند. دیود TVS مخفف Transient voltage suppression می باشد و به آن ها Transil نیز گفته می شود. این دیودها سریع ترین نرخ پاسخ به voltage spike (پرش ولتاژ) در مدارات الکترونیک را دارا هستند.

ولی قیمت آن ها نیز در مقایسه با وریستورهای متال اکسید بالاتر است. بعضی از دیودهای TVS توانایی فعال شدن در محدوده زمان پیکوثانیه را دارا هستند. انرژی قابل دفع آن ها و همچنین ولتاژ کلمپ (فعال شدن) آن ها نیز در مقایسه با وریستورهای متال اکسید کمتر است. اما اگر جریان عبوری از آن ها در محدوده کارکرد آن ها بالاتر نرود، طول عمر بالاتری نسبت به دیگر وریستورها دارند.

دیود های TVS معمولا در مدارات High Speed و مخابراتی که سرعت بالا و توان پایینی دارند، مورد استفاده قرار می گیرند. از آن ها می توان به عنوان کلمپ برای محافظت از قطعات حساس مانند میکروکنترلرها و ماسفت و ترانزیستورها استفاده کرد.

برای پایین آمدن خاصیت خازنی آن ها نیز می توان یک دیود معمولی را با آن ها سری کرد. از نمونه متداول این دیود ها می توان به p6ke، p4ke و p1.5ke از شرکت littlefuse اشاره کرد. در سری های جدید مادربرد های گیگابایت نیز از این نوع دیود برای محافظت از قسمت های حساس برد مانند خروجی های USB استفاده می شود.

کاربردهای مقاومت ها

مقاومت ها به طور گسترده در بسیاری از مدارهای الکتریکی استفاده می شوند. در زیر کاربردهای اصلی مقاومت ها آورده شده است.

آنها برای محدود کردن جریان به منظور جلوگیری از اتصال کوتاه استفاده می شوند.

از آنها برای کنترل ولتاژ استفاده می شود تا از جهش های زیاد در انتهای ولتاژ خروجی جلوگیری شود.

در بسیاری از صنایع الکترونیک استفاده می شود.

با استفاده از این مقاومت ها می توان دما را نیز کنترل کرد.

در لوازم الکترونیکی خانگی مانند بخاری و اتو

برای اطلاعات بیشتر در خصوص سری و موازی کردن مقاومت ها به مقاله تخصصی خودش مراجعه کنید.