مقاومت (Resistor) قطعه‌ای است که یک مقاومت (Resistance) الکتریکی مشخص و معمولاً ثابت دارد. مقاومت الکتریکی جریان الکترون‌های یک مدار را محدود می‌کند. مقاومت‌ها قطعاتی پسیو هستند؛ به این معنی که فقط توان مصرف می‌کنند و نمی‌توانند آن را تولید کنند. این قطعات معمولاً به قسمت‌های اکتیو مدار مانند آپ‌امپ‌ها، میکروکنترلرها و سایر مدارهای مجتمع نیز اضافه می‌شوند. از مهمترین نقش‌های مقاومت‌ها در مدار می‌توان به محدود کردن جریان، تقسیم ولتاژ و خطوط ورودی/خروجی Pull-up اشاره کرد.
واحد اندازه‌گیری مقاومت‌ها
مقاومت الکتریکیِ یک مقاومت برحسب اهم اندازه‌گیری می‌شود. نماد اهم، حرف یونانی اُمگای بزرگ یاΩاست. یک امگا برابر است با مقاومت بین دو نقطه که اختلاف پتانسیل یک ولت به آنها اعمال می‌شود و جریان یک آمپر از آنها می‌گذرد. برای سادگی، مقادیر بزرگ مقاومت را می‌توان با پیشوندهای کیلو، مگا یا گیگا نشان داد. رایج‌ترین پیشوند برای بیان مقدار مقاومت‌ها معمولاً کیلو است. برای مثال، اندازه یک مقاومت ۴٫۷ کیلواهمی معادل با ۴۷۰۰ اهم است.
نماد مداری مقاومت الکتریکی
همانطور که می‌دانیم، مقاومت‌ها قطعاتی با دو سر هستند و نماد آنها در مدار به یکی از دو شکل زیر است.
معمولاً مقاومت را در نقشه‌های الکتریکی با نام و مقدار آن نشان می‌دهند. هر مقاومت در مدار باید نام یکتایی داشته باشد. شکل زیر یک نمونه تایمر ۵۵۵ را نشان می‌دهد که تعدادی مقاومت در آن به کار رفته است. در این مدار، مقاومت‌ها نقش مهمی در تنظیم فرکانس خروجی تایمر ۵۵۵ دارند. مقاومت R3مدار، جریان ال ای دی (LED) را محدود می‌کند.
انواع مقاومت‌ها
مقاومت‌ها در شکل‌ها و اندازه‌های متنوعی وجود دارند. از نظر نحوه نصب، مقاومت‌ها در دو نوع «سوراخ کامل» (Plated Through-Hole) یا PTH یا «فناوری نصب سطحی» (Surface-Mount Technology یا Surface-Mount Device) یا SMT/SMD موجودند.مقاومت‌های سوراخ کامل پایه‌های بلندی دارند که فلز آنها قابلیت خم شدن دارد و می‌توان آن را به صورت دستی روی برد مدار چاپی یا PCB نصب کرد. این مقاومت‌ها معمولاً در برِدبُردها (Breadboard)، نمونه‌های اولیه یا هرگونه دیگری که لحیم به کوچکی مقاومت‌های SMD با اندازه 0٫6 میلی‌متر نیست مورد استفاده قرار می‌گیرند. پایه‌های بلند این مقاومت‌ها معمولاً کوتاه می‌شوند و سپس نصب می‌گردند تا فضای کمتری اشغال شود.رایج‌ترین مقاومت‌های سوراخ کامل، مقاومت‌های محوری (Axial) هستند که اندازه آنها متناسب با توان نامی‌شان است. شکل زیر یک مقاومت ۰٫۵ واتی را با اندازه ۹٫۲ میلی‌متر و یک مقاومت ۰٫۲۵ واتی را با طول ۶٫۳ میلی‌متر نشان می‌دهد.
مقاومت‌های نصب سطحی معمولاً به صورت مستطیلی سیاه هستند که از دو طرف نقره‌ای، درخشان و رسانا هستند و ضخامت کمتری دارند. لبه مقاومت‌های SMD رسانا است. این مقاومت‌ها روی PCBها و معمولاً توسط یک ربات نصب می‌شوند (زیرا بسیار کوچک هستند).
مقاومت‌های SMD در اندازه‌های استاندارد ۰۸۰۵ (طول ۰٫۸ میلی‌متر و عرض ۰٫۵ میلی‌متر)، ۰۶۰۳ یا ۰۴۰۲ موجود هستند. این مقاومت‌ها در مدارهای مجتمع و طراحی‌هایی که در آنها فضا محدود است مورد استفاده قرار می‌گیرند.
ساختار مقاومت‌ها
مقاومت‌ها را می‌توان با مواد مختلفی ساخت. رایج‌ترین موادی که مقاومت‌ها از آنها ساخته می‌شوند، کربن، فلز یا فیلم اکسید فلز هستند. در این مقاومت‌ها، یک فیلم نازک از ماده رسانا (البته همچنان دارای مقاومت) در یک مارپیچ حلزونی پیچیده شده و با یک ماده عایق پوشانده می‌شود. اغلب مقاومت‌های بدون زوائد و سوراخ کامل، از ترکیبات فیلم کربن یا فیلم فلز ساخته شده‌اند.شکل زیر، برشی از مقاومت‌های فیلم کربن را نشان می‌دهد.
مقادیر مربوط به مقاومت‌های بالا، به ترتیب، برابر با ۲۷ اهم، ۳۳۰ اهم و ۳٫۳ مگااهم هستند. درون هر مقاومت یک فیلم کربن پیچانده شده که دارای پوشش عایق است. همانطور که می‌بینیم، هرچه تعداد پیچ‌ها بیشتر باشد، مقدار مقاومت نیز بیشتر است.سایر مقاومت‌های سوراخ کامل ممکن است سیم‌پیچی شده یا از ورق فلزی بسیار نازک ساخته شوند. این مقاومت‌ها معمولاً گران‌تر هستند و از آنجایی که مشخصه‌های ویژه‌ای مانند توان و محدوده دمای حداکثر بالاتر دارند، در کاربردهای خاصی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
مقاومت‌های نصب سطحی معمولاً در انواع فیلم ضخیم یا نازک وجود دارند. نوع فیلم ضخیم آنها معمولاْ ارزان‌تر است، اما دقت کمتری نسبت به انواع فیلم نازک دارد. در هر دو نوع این مقاومت‌ها، یک فیلم کوچک از آلیاژ فلز مقاومتی بین یک پایه سرامیکی و یک پوشش شیشه‌ای/اپوکسی فشرده شده و سپس به لبه‌های هادی انتها متصل می‌شود.
بسته‌های مقاومتی خاص
انواع دیگری از مقاومت‌های خاص وجود دارد که برای اهداف ویژه‌ای به کار می‌روند. برخی مقاومت‌ها از قبل به یکدیگر متصل شده و در یک بسته قرار داده می‌شوند. آرایه‌های پنج مقاومتی از این دسته‌اند. مقاومت‌ها در این آرایه‌ها یک پین مشترک دارند یا به عنوان مقسم ولتاژ ساخته می‌شوند. شکل زیر، آرایه‌ای از پنج مقاومت ۳۳۰ اهمی را نشان می‌دهد که یک انتهای آنها به یکدیگر متصل است.
مقاومت‌های متغیر (پتانسیومترها)
این نوع مقاومت‌ها که رئوستا نیز نامیده می‌شوند، مقاومت‌هایی هستند که می‌توان آنها را در یک محدوده مقادیر مشخص تنظیم کرد. پتانسیومترها نیز مقاومت‌های متغیری هستند که دو مقاومت درونی را به صورت سری به یکدیگر متصل کرده و یک مقسم ولتاژ قابل تنظیم می‌سازند. این نوع مقاومت‌ها معمولاً برای ورودی‌هایی از قبیل دکمه‌های تنظیم صدا به کار می‌روند. شکل زیر، چند نمونه از این مقاومت‌ها را نشان می‌دهد.
توان مقاومت‌ها
توان یکی از پارامترهای مهم در مقاومت‌ها است که به ویژه در هنگام انتخاب مقاومت‌ها باید آن را در نظر گرفت. توان نرخ مصرف انرژی است و با ضرب اختلاف ولتاژ بین دو نقطه و جریان گذرنده از آن به دست می‌آید. واحد اندازه‌گیری توان، وات (W) است. برای مثال، لامپ‌ها توان الکتریکی را به نور تبدیل می‌کنند. اما یک مقاومت فقط می‌تواند انرژی الکتریکی را به گرما تبدیل کند. گرما معمولاً پارامتر جالبی در الکترونیک نیست و گرمای زیاد سبب آسیب‌دیدگی‌های مختلفی (حتی آتش گرفتن مدار) می‌شود.
هر مقاومت یک اندازه توان ماکزیمم مشخص دارد و برای جلوگیری از گرم شدنِ بیش از حد مقاومت باید مطمئن شویم توان کاری آن کمتر از مقدار ماکزیمم نامی است. توان نامی یک مقاومت بر حسب وات بیان می‌شود و معمولاً بین ۱/۸ (۰٫۱۲۵) وات و ۱ وات است. مقاومت‌هایی با توان بیش از یک وات معمولاً در دسته مقاومت‌های قدرت قرار می‌گیرند و کاربردهای خاص خود را دارند.
یافتن توان مقاومت
توان نامی یک مقاومت را معمولاً می‌توان با مشاهده اندازه بسته آن تعیین کرد. مقاومت‌های سوراخ کامل معمولاً در توان‌های ۱/۴ (۰٫۲۵) و ۱/۲ (۰٫۵) وات ساخته می‌شوند. توان مقاومت‌هایی نیز که برای کاربردهای قدرت ساخته می‌شوند معمولاً روی آنها درج می‌شود.
شکل زیر، چند مقاومت قدرت را نشان می‌دهد که در توان‌های بزرگ‌تری نسبت به مقاومت‌های عادی کار می‌کنند. مقادیر توان این مقاومت‌ها از راست به چپ، به ترتیب، برابر با ۲۵، ۵ و ۳ وات است. مقادیر مقاومت آنها نیز به ترتیب ۲ اهم، ۳ اهم، ۰٫۱ اهم و ۲۲ کیلواهم است. از مقاومت‌هایی با توان کوچک‌تر معمولاً برای اندازه‌گیری جریان استفاده می‌شود.
توان مقاومت‌های SMD معمولاً با اندازه آنها قابل تشخیص است. توان مقاومت‌های ۹۴۰۲ و ۰۶۰۳ معمولاً ۱/۱۶ (یک‌شانزدهم) وات و توان مقاومت‌های ۰۸۰۵ یک‌دهم (۰/۱) وات است
محاسبه مقاومت از روی رنگ:
همانطور که می‌دانیم، مقاومت‌ها انواع مختلفی دارند و می‌توان در مدارهای الکتریکی و الکترونیکی از آنها برای کنترل جریان یا ایجاد افت ولتاژ استفاده کرد. برای برآورده کردن اهداف مورد نظر در مدار، مقاومت باید مقدار مشخصی داشته باشد. این مقدار می‌تواند کسری از یک اهم تا چند میلیون اهم باشد.
قطعات الکترونیکی از جمله مقاومت‌ها، خازن‌ها، ترانزیستورها، آی‌سی‌ها، دیودها و غیره، نوشته‌هایی دارند که شماره یا اندازه کمیت قطعه را نشان می‌دهد. اما در بعضی قطعات مانند مقاومت‌ها و خازن‌های قدیمی و عدسی (سرامیکی) این طور نیست و خواندن مقدار این قطعات برای هر کسی با هر دانشی امکان‌پذیر نیست.
علت استفاده از کد رنگی در مقاومت
معمولاً مقاومت‌ها بر اساس مقدار نامی یا «مقدار مطلوب» (Preferred Value)، ساخته می‌شوند. اگر ابعاد فیزیکی مقاومت به اندازه کافی بزرگ باشد، مقدار، تلرانس و درجه‌بندی توانی آن، به عدد یا حروف روی بدنه چاپ می‌شود.
اما اگر ابعاد فیزیکی مقاومت، کوچک باشد (مثل مقاومت فیلمی یا مقاومت ترکیب کربنی با توان 0.25 وات)، این مشخصات به طریق دیگری غیر از چاپ مشخص می‌شود. برای غلبه بر این مشکل، در مقاومت‌های کوچک از نوارهای رنگی استفاده می‌شود. به عبارت دیگر، مقدار مقاومت و تلرانس آن را با یک کد رنگی مشخص می‌کنند. اندازه فیزیکی مقاومت نیز نشان‌دهنده قابلیت تحمل توان یا درجه‌بندی توان آن است. باندهای نواری رنگی، منجر به یک سیستم تشخیص مقدار مقاومت می‌شود که «کد رنگی مقاومت» (Resistor Color Code) نام دارد.
سال‌ها پیش، یک نقشه کلی جهانی و مورد قبول عام برای کد رنگی مقاومت معرفی شد که با استفاده از آن، مقدار اهمی مقاومت بدون توجه به اندازه فیزیکی یا شرایط مقاومت در مدار، قابل محاسبه است. این نقشه، شامل یک مجموعه ستون رنگی است که در آن، هر رنگ نمایانگر یک رقم است.
محاسبه مقاومت از روی رنگ
مقدار مقاومت الکتریکی همیشه از چپ به راست خوانده می‌شود. برای محاسبه مقدار مقاومت، نوار رنگی با پهنای بیشتر باید در سمت راست قرار بگیرد. این نوار، نمایانگر تلرانس یا دقت مقاومت است. با تطبیق رنگ اول از سمت چپ و شماره آن در ستون ارقام، اولین رقم مقدار مقاومت مشخص می‌شود. به همین ترتیب، با تطبیق دومین رنگ از سمت چپ با شماره آن در ستون ارقام، دومین رقم مقدار مقاومت نیز مشخص می‌شود. سپس عدد رنگ دوم در کنار عدد رنگ اول و در سمت راست آن قرار می‌گیرد. به این ترتیب، مقدار مقاومت از سمت چپ به سمت راست نوشته می‌شود. شکل زیر، جدول رنگ مقاومت را نشان می‌دهد:
کد نوارهای رنگی مقاومت‌ها در جدول زیر آورده شده است:
کد رنگی مقاومت، سیستمی مناسب برای محاسبه مقدار آن است. اما برای رسیدن به مقدار صحیحِ مقاومت، لازم است طریقه کارکرد آن را نیز بدانیم. نوار رنگی سمت چپ، مهمترین نوار رنگی و نزدیکترین نوار به پایه مقاومت است. این نوار، اولین عدد مقاومت را مشخص می‌کند. مقدار مقدار مقاومت از چپ به راست به صورت زیر نوشته می‌شود:
در ادامه، با بیان چند مثال به بررسی خواندن مقدار مقاومت از روی رنگ آن می‌پردازیم.
مثال ۱
نوارهای رنگی یک مقاومت، از چپ به راست، به ترتیب، آبی، خاکستری، قهوه‌ای و طلایی است. مقدار مقاومت را بیابید.
پاسخ: واضح است که این مقاومت چهار باند نواری دارد. با توجه به جدول بالا، اولین رقم مقدار مقاومت برای رنگ آبی، 6 و دومین رقم، 8است. رقم سوم، ضریب و رقم آخر، تلرانس مقاومت را نشان می‌دهد. این اعداد را کنار هم می‌گذاریم و مقدار مقاومت به اهم را می‌خوانیم. در صورت نیاز، مقدار مقاومت به کیلواهم و مگااهم تبدیل می‌شود. بنابراین مقدار این مقاومت، 68×1068×10 اهم با تلرانس ۵ درصد است. این تلرانس توسط کارخانه تعیین می‌شود. به این معنی که مقدار مقاومت، در پنج درصد محدوده مقدار نامی آن تغییر می‌کند. به عبارت دیگر، مقدار مقاومت ممکن است تا 34 اهم نسبت به 680 اهم خطا داشته باشد.
مثال ۲
مقاومتی به رنگ‌های آبی، خاکستری، قرمز و طلایی داریم. مقدار این مقاومت را محاسبه کنید.
پاسخ: با توجه به جدول بالا مقدار مقاومت 6800 اهم معادل 6.8 کیلواهم با تلرانس 5 درصد است.
همانطور که اشاره کردیم، نوارهای رنگی چهارم و پنجم برای محاسبه تلرانس مقاومت به کار می‌روند. تلرانس یک مقاومت، مقدار خطای مقاومت از مقدار نامی یا مطلوب آن است. این خطاها در فرآیند ساختِ مقاومت روی می‌دهد. تلرانس مقاومت‌های فیلمی از یک تا ده درصد متغیر است. مقاومت‌های کربنی نیز ممکن است تلرانسی معادل ۲۰ درصد داشته باشند که عدد بزرگی است و دقتِ کمِ این نوع مقاومت‌ها را نشان می‌دهد.
مقاومت با تلرانس کمتر از ۲ درصد را مقاومتِ دقیق می‌نامیم. اغلبِ مقاومت‌هایی که پنج نوار رنگی دارند، در دسته‌بندی مقاومت‌های دقیق قرار می‌گیرند. تلرانس این مقاومت‌ها حدوداً ۱ تا ۲ درصد است. این در حالی است که اغلب مقاومت‌های چهار نواره، تلرانسی در حدود ۵٪ ، ۱۰٪ و ۲۰٪ درصد دارند. اگر یک مقاومت، نوار رنگی چهارم را نداشته باشد، تلرانس آن را به صورت قراردادی برابر ۲۰٪ در نظر می‌گیریم. مقاومت‌های با تلرانس کمتر، معمولاً قیمت بالاتری دارند.
مقدار نامی و تلرانس مقاومت
مقدار واقعی یک مقاومت، در محدوده‌ای از مقدار نامی و تلرانس آن است. تلرانس یک مقاومت، حداکثر اختلاف بین مقدار واقعی و مقدار مطلوب است و معمولا به صورت درصد بیان می‌شود. برای مثال، در یک مقاومت با اندازه 1KΩ±20%1�Ω±20%، حداکثر و حداقل مقدار مقاومت، به ترتیب برابر است با:
1kΩ+20%=1200Ω
و
1KΩ–20%=800Ω
می‌بینیم که اختلاف بین حداکثر و حداقل مقدار مقاومت برای مقدار نامی 10۰۰ اهم، برابر ۴۰۰ اهم است.
در اغلب مدارهای الکتریکی و الکترونیکی، تلرانس ۲۰ درصد مشکلی ایجاد نمی‌کند. اما هنگام کار با مدارهایی که دقت بالایی نیاز دارند، مثل فیلترها، نوسان‌سازها یا تقویت‌کننده‌ها، یک مقاومت با تلرانس ۲۰ درصد با مقاومتی با تلرانس دو درصد، قابل مقایسه نیست.
نوارهای رنگی پنجم و ششم برای دقت بالا مناسب هستند که تلرانس آنها در حدود یک درصد و دو درصد است. در حالی که تلرانس‌های ۵ درصد و ۱۰ درصد از نوار رنگی چهارم استفاده می‌کنند. مقاومت‌ها، تلرانس‌های مختلفی دارند، اما دو نوع اصلی آنها، سری‌های E12 و E24 است.
محاسبه مقاومت‌های SMD
مقاومت‌های نصب سطحی یا SMD، مقاومت‌هایی مستطیلی شکل و بسیار کوچک هستند. این نوع مقاومت‌ها با فناوری فیلم فلزی ساخته می‌شوند تا مستقیما روی سطح مدار چاپی لحیم شوند. مقاومت‌های نصب سطحی، یک زیرلایه سرامیکی دارند که روی آن، یک لایه ضخیم از اکسید فلز ته‌نشین شده است. مقدار مقاومت با افزایش ضخامت، طول یا نوع فیلم مورد استفاده کنترل می‌شود.
مقاومت های SMD را می‌توان با تلرانس پایین (در حد 0.1 درصد) و دقت بالا تولید کرد. همچنین، این نوع مقاومت‌ها در دو طرف بدنه خود، دو ترمینال فلزی دارند. به این ترتیب می‌توان آنها را مستقیما روی بردهای مدار چاپی لحیم کرد.
برای تعیین مقدار مقاومت‌های نصب سطحی، یک کد عددیِ سه یا چهار رقمی روی آنها چاپ می‌شود. مقاومت‌های نصب سطحی استاندارد، با یک کد سه رقمی مشخص می‌شوند. در این حالت، دو رقم اول نشان‌دهنده دو عدد اول مقدار مقاومت و رقم سوم ضریب آن است (۱۰، ۱۰۰ و غیره). برای مثال اگر روی یک مقاومت SMD، عدد ۱۰۳ چاپ شده باشد، مقدار آن مقاومت برابر است با:
”103”=10×1000Ohms =10kΩ
چند نمونه دیگر، عبارتند از:
”392”=39×100Ohms =3.9kΩ
”563”=56×1000Ohms =56kΩ
”105”=10×100000Ohms =1MΩ
اگر مقدار مقاومت‌های نصب سطحی کمتر از ۱۰۰ اهم باشد، می‌توان آن را به صورت ۳۹۰، ۴۷۰ یا ۵۶۰ نوشت. در این حالت، آخرین رقم این عدد که صفر است نشان‌دهنده توان صفر عدد ده یا یک است. مثلا:
”390”=39×1Ohms =39Ω
”470”=47×1Ohms =47Ω
مقاومت‌های سطحی که روی آنها عبارت «۰۰۰» یا «0000» چاپ شده است، نشان‌دهنده مقاومت با اندازه صفر هستند (0Ω0Ω). بنابراین این مقاومت‌ها در مدار، به‌صورت اتصال کوتاه عمل می‌کنند.
