مقاومت چیست ؟ آموزش کامل مقاومت الکتریکی، انواع، کاربرد و تحلیل مدار

مقاومت چیست ؟ آموزش کامل مقاومت الکتریکی، انواع، کاربرد و تحلیل مدار ، از آنجا که رابطه میان ولتاژ، جریان و مقاومت در هر مداری کاملاً قانون‌مند است، می‌توانیم با کنترل هر دو متغیر دیگر، هر متغیری در مدار را به‌شکلی قابل اعتماد تحت کنترل درآوریم. شاید ساده‌ترین متغیری که در هر مدار می‌توان کنترل کرد، مقاومت آن باشد. این کار با تغییر جنس، اندازه و شکل اجزای هادی مدار انجام می‌شود؛ همان‌طور که پیش‌تر دیدیم، فیلامان نازک فلزی یک لامپ در مقایسه با یک سیم ضخیم، مقاومت الکتریکی بیشتری ایجاد می‌کند.

مقاومت چیست؟

قطعاتی خاص به نام مقاومت‌ها ساخته می‌شوند تا مقدار مشخصی از مقاومت الکتریکی را برای قرار گرفتن در یک مدار فراهم کنند. این قطعات معمولاً از سیم فلزی یا کربن ساخته می‌شوند و به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که در گستره‌ی وسیعی از شرایط محیطی، مقدار مقاومت خود را ثابت نگه دارند.

بر خلاف لامپ‌ها، مقاومت‌ها نوری تولید نمی‌کنند، اما هنگامی که در یک مدار فعال، توان الکتریکی توسط آن‌ها مستهلک می‌شود، گرما تولید می‌کنند. با این حال، هدف اصلی یک مقاومت معمولاً تولید گرمای قابل‌استفاده نیست، بلکه فراهم کردن مقدار دقیقی از مقاومت الکتریکی است.

نماد مداری و مقادیر مقاومت‌ها

رایج‌ترین نماد مداری برای مقاومت، یک خط زیگزاگی است:

مقادیر مقاومت بر حسب اهم معمولاً به‌صورت عددی در کنار نماد نوشته می‌شوند، و اگر چند مقاومت در یک مدار حضور داشته باشند، هر یک با یک شناسه منحصربه‌فرد مانند R۱، R۲، R۳ و غیره برچسب‌گذاری می‌شوند. همان‌طور که مشاهده می‌کنید، نماد مقاومت می‌تواند هم به‌صورت افقی و هم عمودی رسم شود:

مقاومت‌های واقعی هیچ شباهتی به نماد زیگزاگی ندارند. در واقع آن‌ها به شکل لوله‌ها یا استوانه‌های کوچکی هستند که دو سیم از دو سوی آن‌ها برای اتصال به مدار بیرون زده است. در ادامه نمونه‌ای از انواع و اندازه‌های مختلف مقاومت‌ها را می‌بینید:

نمادی جایگزین که بیشتر با ظاهر فیزیکی مقاومت‌ها هم‌خوانی دارد، به شکل یک جعبه‌ی مستطیلی کوچک است:

مقاومت‌ها همچنین می‌توانند به‌جای مقدار ثابت، دارای مقدار متغیر باشند. این می‌تواند نشان‌دهنده‌ی یک قطعه‌ی فیزیکی واقعی باشد که برای ایجاد مقاومت قابل‌تنظیم طراحی شده، یا صرفاً بیانگر قطعه‌ای باشد که به‌طور طبیعی مقاومت ناپایداری دارد:

هر زمان که نماد یک قطعه را با یک فلش مورب از وسط آن رسم‌شده دیدید، بدانید که آن قطعه دارای مقدار متغیر است، نه ثابت. این «تغییردهنده‌ی نماد» (فلش مورب) یک قرارداد استاندارد در نمادهای الکترونیکی است.

مقاومت‌های متغیر

مقاومت‌های متغیر باید دارای یک وسیله‌ی فیزیکی برای تنظیم باشند، مانند یک محور چرخان یا اهرمی که برای تغییر میزان مقاومت الکتریکی جابه‌جا می‌شود. در تصویر زیر دستگاه‌هایی به نام پتانسیومتر را می‌بینید که می‌توانند به‌عنوان مقاومت‌های متغیر استفاده شوند:

توان مجاز مقاومت‌ها

از آنجا که مقاومت‌ها هنگام عبور جریان الکتریکی از آن‌ها، انرژی گرمایی را بر اثر غلبه بر «اصطکاک» مقاومت خود دفع می‌کنند، آن‌ها همچنین بر اساس میزان انرژی گرمایی که می‌توانند بدون داغ‌شدن بیش از حد و آسیب دیدن دفع کنند، رده‌بندی می‌شوند. طبیعتاً این توان مجاز بر حسب واحد فیزیکی «وات» مشخص می‌شود. بیشتر مقاومت‌های به‌کاررفته در دستگاه‌های الکترونیکی کوچک، مانند رادیوهای قابل‌حمل، دارای توان مجاز ۰٫۲۵ وات یا کمتر هستند.

توان مجاز هر مقاومت تقریباً با اندازه‌ی فیزیکی آن متناسب است. در نخستین عکس از مقاومت‌ها می‌توان دید که چگونه توان مجاز با اندازه ارتباط دارد: هرچه مقاومت بزرگ‌تر باشد، توان دفعی مجاز آن نیز بیشتر است. همچنین توجه کنید که مقدار مقاومت (بر حسب اهم) هیچ ارتباطی با اندازه‌ی فیزیکی قطعه ندارد! هرچند ممکن است در نگاه اول بی‌فایده به نظر برسد که قطعه‌ای صرفاً وظیفه‌اش مقاومت در برابر جریان الکتریکی باشد، اما مقاومت‌ها در واقع از پرکاربردترین قطعات در مدارهای الکتریکی هستند.

از آنجا که این قطعات ساده هستند و در سراسر دنیای برق و الکترونیک به‌طور گسترده استفاده می‌شوند، زمان قابل‌توجهی را صرف تحلیل مدارهایی خواهیم کرد که تنها از مقاومت و باتری تشکیل شده‌اند.

کاربرد مقاومت‌ها در مدارها

برای مشاهده‌ی عملی کاربرد مقاومت‌ها، به تصویر زیر توجه کنید. این تصویر یک برد مدار چاپی یا PCB را نشان می‌دهد: مجموعه‌ای متشکل از لایه‌های چسبیده‌به‌هم از فایبر عایق فنولیک و نوارهای مسی هادی، که قطعات درون آن قرار می‌گیرند و از طریق فرآیندی جوش‌مانند با دمای پایین به نام «لحیم‌کاری» ثابت می‌شوند.

قطعات گوناگون روی این برد مداری با برچسب‌های چاپی مشخص شده‌اند. مقاومت‌ها با هر برچسبی که با حرف «R» آغاز می‌شود، شناسایی می‌شوند.

این برد مداری خاص متعلق به یک لوازم جانبی رایانه به نام «مودم» است که امکان انتقال اطلاعات دیجیتال از طریق خطوط تلفن را فراهم می‌کند. حداقل دوازده مقاومت (همگی با توان مجاز ۰٫۲۵ وات) روی برد این مودم قابل مشاهده هستند. هر یک از مستطیل‌های سیاه‌رنگ (که «مدار مجتمع» یا «چیپ» نامیده می‌شوند) نیز مجموعه‌ای از مقاومت‌های داخلی خود را برای انجام عملکردهایشان دارند. نمونه‌ی دیگری از یک برد مداری، مقاومت‌هایی را نشان می‌دهد که در واحدهای حتی کوچک‌تری بسته‌بندی شده‌اند، به نام «قطعات نصب‌سطحی».

این برد مداری خاص، سطح زیرین یک هارددیسک رایانه‌ی شخصی است و در اینجا نیز مقاومت‌های لحیم‌شده روی آن با برچسب‌هایی که با حرف «R» آغاز می‌شوند، مشخص شده‌اند:

روی این برد مداری بیش از صد مقاومت نصب‌سطحی وجود دارد، و این شمارش البته تعداد مقاومت‌های داخلی «چیپ‌ها» را در بر نمی‌گیرد. این دو تصویر برای اثبات این نکته کافی‌اند که مقاومت‌ها؛ قطعاتی که «صرفاً» در برابر عبور جریان الکتریکی مقاومت می‌کنند؛ در دنیای الکترونیک از اهمیت بسیار بالایی برخوردارند.

«بار» در نمودارهای مداری

در نمودارهای مداری، گاهی از نماد مقاومت برای نشان‌دادن هر نوع دستگاه کلی در یک مدار استفاده می‌شود که کاری مفید با انرژی الکتریکی انجام می‌دهد. هر وسیله‌ی الکتریکی غیراختصاصی معمولاً «بار» نامیده می‌شود؛ بنابراین اگر در یک نمودار مداری نمادی از مقاومت را دیدید که با عنوان «بار» برچسب‌گذاری شده، به‌ویژه در نمودارهای آموزشی که مفهومی جدا از مصرف واقعی توان الکتریکی را توضیح می‌دهند، بدانید که آن نماد احتمالاً نوعی نمایش خلاصه‌شده از چیزی کاربردی‌تر از یک مقاومت واقعی است.

تحلیل مدارهای مقاومتی

برای جمع‌بندی آنچه در این درس آموختیم، بیایید مدار زیر را تحلیل کنیم و هر آنچه را که از اطلاعات داده‌شده می‌توانیم استخراج کنیم، به دست آوریم:

تنها اطلاعاتی که در اینجا در اختیار داریم، ولتاژ باتری (۱۰ ولت) و جریان مدار (۲ آمپر) است. مقدار مقاومت را بر حسب اهم یا توان مستهلک‌شده توسط آن بر حسب وات نمی‌دانیم. با مرور معادلات قانون اهم، به دو معادله می‌رسیم که از روی مقادیر شناخته‌شده‌ی ولتاژ و جریان، پاسخ می‌دهند:

با قرار دادن مقادیر شناخته‌شده‌ی ولتاژ (E) و جریان (I) در این دو معادله، می‌توانیم مقاومت مدار (R) و توان مستهلک‌شده (P) را تعیین کنیم:

برای شرایط مداری با ۱۰ ولت و ۲ آمپر، مقاومت قطعه باید ۵ اهم باشد. اگر قرار بود مداری را برای کار در این شرایط طراحی کنیم، لازم بود مقاومتی با توان مجاز حداقل ۲۰ وات انتخاب کنیم، در غیر این صورت قطعه بیش از حد داغ شده و از کار می‌افتاد.

جنس و مواد سازنده‌ی مقاومت‌ها

مقاومت‌ها از مواد گوناگونی ساخته می‌شوند که هرکدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند. بیشتر مهندسان برق از انواع زیر استفاده می‌کنند:

مقاومت‌های سیم‌پیچی (Wirewound)

مقاومت‌های سیم‌پیچی با پیچیدن سیم مقاومتی به دور یک هسته‌ی غیرهادی به‌صورت مارپیچی ساخته می‌شوند. این نوع مقاومت‌ها معمولاً برای کاربردهایی با دقت بالا و توان زیاد تولید می‌شوند. هسته‌ی آن‌ها معمولاً از سرامیک یا فایبرگلاس ساخته شده و سیم مقاومتی از آلیاژ نیکل-کروم است. این نوع مقاومت برای کاربردهایی با فرکانس بیش از ۵۰ کیلوهرتز مناسب نیست.

نویز پایین و پایداری در برابر تغییرات دما از ویژگی‌های استاندارد مقاومت‌های سیم‌پیچی هستند. مقادیر مقاومت این نوع از ۰٫۱ تا ۱۰۰ کیلواهم در دسترس است، با دقتی بین ۰٫۱ تا ۲۰ درصد.

مقاومت‌های فیلم فلزی (Metal Film)

در مقاومت‌های فیلم فلزی معمولاً از نیکروم یا نیترید تانتالیوم استفاده می‌شود. ترکیبی از یک ماده‌ی سرامیکی و یک فلز معمولاً ماده‌ی مقاومتی را تشکیل می‌دهد. مقدار مقاومت با برش یک الگوی مارپیچی در فیلم، مشابه فیلم کربنی، توسط لیزر یا سایش تغییر می‌کند. مقاومت‌های فیلم فلزی معمولاً در برابر تغییرات دما نسبت به مقاومت‌های سیم‌پیچی پایداری کمتری دارند، اما در فرکانس‌های بالاتر عملکرد بهتری از خود نشان می‌دهند.

مقاومت‌های فیلم اکسید فلزی (Metal Oxide Film)

مقاومت‌های اکسید فلزی از اکسیدهای فلزی مانند اکسید قلع استفاده می‌کنند که آن‌ها را کمی متفاوت از مقاومت‌های فیلم فلزی می‌سازد. این مقاومت‌ها قابل‌اعتماد و پایدار هستند و در دماهای بالاتری نسبت به مقاومت‌های فیلم فلزی کار می‌کنند. به همین دلیل، مقاومت‌های فیلم اکسید فلزی در کاربردهایی که به دوام بالا نیاز دارند، استفاده می‌شوند.

مقاومت‌های فویلی (Foil)

مقاومت‌های فویلی که در دهه‌ی ۱۹۶۰ میلادی توسعه یافتند، همچنان یکی از دقیق‌ترین و پایدارترین انواع مقاومت‌ها به‌شمار می‌روند و در کاربردهایی با نیاز به دقت بالا استفاده می‌شوند. عنصر مقاومتی آن‌ها از یک زیرلایه‌ی سرامیکی تشکیل شده که یک فویل فلزی نازک به آن چسبانده شده است. مقاومت‌های فویلی دارای ضریب دمایی مقاومت بسیار پایینی هستند.

مقاومت‌های کربن ترکیبی (Carbon Composition)

تا دهه‌ی ۱۹۶۰ میلادی، مقاومت‌های کربن ترکیبی استاندارد رایج در بیشتر کاربردها بودند. این مقاومت‌ها قابل‌اعتماد هستند، اما دقت بالایی ندارند (تلورانس آن‌ها معمولاً بهتر از حدود ۵ درصد نیست). عنصر مقاومتی این نوع از ترکیب ذرات ریز کربن و ماده‌ی سرامیکی غیرهادی ساخته می‌شود.

این ماده به شکل یک استوانه قالب‌گیری شده و سپس پخته می‌شود. ابعاد بدنه و نسبت کربن به سرامیک، مقدار مقاومت را تعیین می‌کند؛ هرچه کربن بیشتری در فرآیند استفاده شود، مقاومت پایین‌تر خواهد بود. مقاومت‌های کربن ترکیبی همچنان برای برخی کاربردها به‌دلیل توانایی تحمل پالس‌های پرانرژی مفید هستند؛ یک نمونه‌ی خوب از این کاربرد، استفاده در منابع تغذیه است.

مقاومت‌های فیلم کربنی (Carbon Film)

مقاومت‌های فیلم کربنی دارای یک لایه‌ی نازک کربن (با برشی مارپیچی روی فیلم برای افزایش مسیر مقاومتی) روی یک هسته‌ی استوانه‌ای عایق هستند. این ساختار باعث می‌شود مقدار مقاومت دقیق‌تر باشد و همچنین مقدار مقاومت را افزایش دهد. مقاومت‌های فیلم کربنی دقت بسیار بیشتری نسبت به مقاومت‌های کربن ترکیبی دارند. نوع ویژه‌ای از مقاومت‌های فیلم کربنی در کاربردهایی که به پایداری بالا در برابر پالس نیاز دارند، استفاده می‌شود.

شاخص‌های کلیدی عملکرد (KPI)

در جدول زیر شاخص‌های کلیدی عملکرد برای هر یک از جنس‌های مقاومت آورده شده است:

سوالات متداول

مرور مطالب

• قطعاتی به نام مقاومت برای ایجاد مقادیر دقیقی از مقاومت در مدارهای الکتریکی ساخته می‌شوند. مقاومت‌ها هم بر اساس مقدار مقاومتشان (اهم) و هم بر اساس توانایی دفع انرژی گرمایی (وات) رده‌بندی می‌شوند.
• مقدار مقاومت یک قطعه را نمی‌توان از روی اندازه‌ی فیزیکی آن تخمین زد، هرچند توان مجاز تقریبی آن را می‌توان از این طریق حدس زد. هرچه مقاومت بزرگ‌تر باشد، توان بیشتری را می‌تواند بدون آسیب‌دیدن دفع کند.
• هر دستگاهی که کاری مفید با توان الکتریکی انجام دهد، معمولاً «بار» نامیده می‌شود. گاهی نماد مقاومت در نمودارهای مداری برای نشان‌دادن یک بار غیراختصاصی به‌کار می‌رود، نه یک مقاومت واقعی.

می‌توانید از ماشین‌ حساب کد رنگ مقاومت در بخش ابزارهای سایت استفاده کنید.

اگر این مقاله مقاومت چیست ؟ آموزش کامل مقاومت الکتریکی، انواع، کاربرد و تحلیل مدار ، برای شما مفید بود، آن را با دوستان خود به اشتراک بگذارید و برای مشاهده آموزش‌های بیشتر به سایت ما سر بزنید.