مقاومت الکتریکی یکی از پایه ای ترین قطعات در مدارت آنالوگ و دیجیتال به شمار می رود. وسعت کاربری این قطعه به گونه ایست که تقریبا هیچ مداری را بدون این قطعه نمی توان تصور کرد. مقاومت الکتریکی قطعه ای جهت محدود کردن جریان و کاهش ولتاژ است. در آموزش مفهوم مقاومت به تشریح و بررسی این قطعه مهم و کاربردی و نحوه محاسبه آن دار مدارات خواهیم پرداخت. در ادامه این آموزش با مرجع تخصصی الکترونیک به زبان فارسی، دیجی اسپارک همراه باشید.
قانون اهم چیست؟
قانون اهم (Ohm’s Law) یکی از اصول اساسی در فیزیک الکتریسیته است که رابطه بین ولتاژ (V)، جریان (I) و مقاومت (R) را تعیین می‌کند. براساس قانون اهم، ولتاژ بین دو نقطه در یک مدار الکتریکی مستقیماً به جریان وابسته است و برعکس، جریان نیز مستقیماً به ولتاژ وابسته است. قانون اهم به شکل زیر بیان می‌شود:
V = I * R
در این فرمول:
V نمایانگر ولتاژ است و واحد آن ولت (V) است.
I نمایانگر جریان است و واحد آن آمپر (A) است.
R نمایانگر مقاومت است و واحد آن اهم (Ω) است.
به عبارت دیگر، ولتاژ برابر است با حاصل ضرب جریان و مقاومت. این قانون نشان می‌دهد که ولتاژ و جریان در یک مدار الکتریکی به یکدیگر و به مقاومت متصل شده در آن مدار رابطه مستقیم دارند.
کاربرد قانون اهم
قانون اهم در مهندسی الکتریک و الکترونیک در بسیاری از حوزه‌ها کاربرد دارد. :
- طراحی مدارهای الکتریکی: قانون اهم در طراحی و تحلیل مدارهای الکتریکی بسیار مهم است. با استفاده از این قانون، می‌توان ولتاژ، جریان و مقاومت مدار را محاسبه و بهینه‌سازی کرد.
- محاسبه جریان: با دانستن ولتاژ و مقاومت یک مدار، می‌توان با استفاده از قانون اهم جریان را محاسبه کرد. این موضوع در محاسبه توان مصرفی و انتخاب مناسب منابع تغذیه در سیستم‌های الکتریکی بسیار مهم است.
- محاسبه ولتاژ: با دانستن جریان و مقاومت، می‌توان با استفاده از قانون اهم ولتاژ را محاسبه کرد. این موضوع در محاسبه توان و افت ولتاژ در سیستم‌های الکتریکی بسیار اهمیت دارد.
- محاسبه مقاومت: با دانستن ولتاژ و جریان، می‌توان با استفاده از قانون اهم مقاومت را محاسبه کرد. این موضوع در محاسبه و تعیین مقاومت‌های مورد نیاز برای راه‌اندازی اجزای الکتریکی مانند لامپ‌ها، موتورها و سایر اجزا بسیار مهم است.
- آنالیز مدارهای پیچیده: قانون اهم در آنالیز مدارهای الکتریکی پیچیده، از جمله مدارهای سری و موازی، استفاده می‌شود.
- محاسبه توان: با استفاده از قانون اهم و با در نظر گرفتن ولتاژ و جریان، می‌توان توان مصرفی یک مدار را محاسبه کرد. این موضوع در محاسبه توان مصرفی دستگاه‌ها و سیستم‌های الکتریکی بسیار مهم است.
- بررسی رفتار المپ‌ها و دیودها: با استفاده از قانون اهم، می‌توان رفتار المپ‌ها و دیودها را در مدارهای الکتریکی بررسی کرد. به عنوان مثال، با دانستن جریان ولتاژ موردنیاز برای روشن شدن یک المپ، می‌توان مقاومت المپ را محاسبه کرد و از آن برای انتخاب مناسب المپ استفاده کرد.
- تعیین اثر متقابل اجزا: قانون اهم می‌تواند در تعیین اثر متقابل اجزا در مدارهای الکتریکی مورد استفاده قرار بگیرد. با استفاده از این قانون، می‌توان اثر تغییرات ولتاژ یا جریان روی دیگر اجزا را بررسی کرد و تأثیر آن را در کارکرد کلی مدار تحلیل کرد.
در کل، قانون اهم به عنوان یکی از اصول اساسی در مهندسی الکتریک و الکترونیک استفاده می‌شود و در تحلیل، طراحی و بهینه‌سازی مدارها و سیستم‌های الکتریکی بسیار اهمیت دارد.
مفهوم جریان و ولتاژ در منع تغذیه
در مفهوم منع تغذیه، جریان (Current) و ولتاژ (Voltage) دو مفهوم اساسی هستند که در مورد آنها باید صحبت کرد.
- جریان (Current):
جریان الکتریکی به جریان حرکت الکترون‌ها در یک مدار الکتریکی اشاره دارد. در صورتی که یک مدار الکتریکی برقرار باشد ولتاژ (پتانسیل الکتریکی) ایجاد می‌شود و این ولتاژ باعث جابجایی الکترون‌ها می‌شود. جریان الکتریکی نشان‌دهنده تعداد الکترون‌هایی است که در یک واحد زمان از نقطه مشخصی عبور می‌کنند. واحد جریان الکتریکی آمپر (A) است. در منع تغذیه، جریان الکتریکی باید کنترل شود تا به حداکثر مقدار مجازی که دستگاه یا مدار می‌تواند تحمل کند برسد و خطرات احتمالی مانند اتلاف توان، حرارت زیاد، آسیب به دستگاه و … را به وجود نیاورد.
- ولتاژ (Voltage):
ولتاژ یا پتانسیل الکتریکی، تفاوت پتانسیل الکتریکی بین دو نقطه در یک مدار الکتریکی است. ولتاژ معمولاً با استفاده از یک منبع تغذیه، مانند باتری یا منبع تغذیه دیگر، ایجاد می‌شود. ولتاژ نشان‌دهنده فشار الکتریکی است که الکترون‌ها را در مدار جابجا می‌کند. واحد ولتاژ ولت (V) است. در منع تغذیه، ولتاژ مورد نیاز برای دستگاه خاصی تعیین می‌شود و باید از منابع تغذیه مناسبی تأمین شود.
پیش از آنکه به مفهوم مقاومت و کاربرد آن بپردازیم، بهتر است ابتدا کمی در رابطه با مفهوم جریان و ولتاژ صحبت کنیم. اگر دقت کرده باشید، منبع های تغذیه مثل باتری، آداپتور و… با دو مشخصه کلی جریان و ولتاژ معرفی می شوند. به عبارت دیگر، یک منبع تغذیه را تنها با دو پارامتر اصلی ولتاژ و جریان می شناسند.
در رابطه با مفهوم جریان و ولتاژ، اجازه دهید موضوع را با یک مثال روشن کنیم. یک منبع آب را در نظر بگیرید. این منبع آب دارای حجم(ظرفیت) مشخصی است. در کنار این، این منبع آب نیز دارای دریچه خروجی با قطر مشخص است. بنابراین این منبع حجم مشخصی از آب را با توجه به قطر دریچه، می تواند از آن خارج کند.
در رابطه با ارتباط بین ولتاژ و جریان با منبع آب، به تصویر فوق بار دیگر با دقت نگاه کنید. در این تصویر، می توان جریان یک منبع تغذیه را به ظرفیت(حجم) آب درون منبع و ولتاژ منبع تغذیه را به قطر دریچه منبع آب تشبیه کرد. بدین ترتیب هرچه منبع آب حجم بیشتری داشته باشد، آب(جریان الکتریکی در منبع تغذیه) بیشتری در آن جا می گیرد. در کنار این، هر چه قطر دریچه بیشتر باشد، آب بیشتری را می توان در لحظه از منبع خارج نمود. این مورد را هم می توان به مانند ولتاژ منبع تغذیه در نظر گرفت. بنابراین به طور خلاصه می توان گفت:
جریان الکتریکی همانند حجم منبع آب و ولتاژ الکتریکی همانند قطر دریچه منبع آب است.
پس از بررسی مفهوم جریان ولتاژ، نوبت به مقاومت الکتریکی و نقش آن در مدارات مختلف می رسد. قسمت بعد مربوط به این موضوع است.
تعریف مقاومت الکتریکی
مقاومت الکتریکی (Electrical Resistance) یک مفهوم مهم در فیزیک و مهندسی الکتریک است که نشان دهنده میزان مقاومتی است که یک ماده یا اجزای یک مدار به جریان الکتریکی ارائه می‌دهد. مقاومت الکتریکی با نماد R نمایش داده می‌شود و واحد آن اهم (Ω) است.مقاومت الکتریکی بر اساس خواص ماده و هندسه ساختاری مورد بررسی قرار می‌گیرد. بعضی از مواد مانند فلزات، مقاومت الکتریکی کمی دارند و به خوبی جریان را از خود عبور می‌دهند، در حالی که مواد دیگر مانند سرامیک‌ها و مواد نیمه‌رساناها مقاومت الکتریکی بالاتری دارند و جریان را کاهش می‌دهند.مقاومت الکتریکی بر اساس قانون اهم و فرمول V = I * R قابل محاسبه است. با دانستن ولتاژ (V) و جریان (I) می‌توان مقاومت الکتریکی (R) را محاسبه کرد و برعکس، با دانستن ولتاژ و مقاومت، می‌توان جریان را محاسبه کرد.
مقاومت الکتریکی عوامل مهمی را تحت تأثیر قرار می‌دهد، از جمله:
- میزان جریان: مقاومت الکتریکی باعث ایجاد کاهش در جریان است. به ازای مقدار ثابت ولتاژ، هر چه مقاومت بیشتر باشد، جریان کمتری خواهد بود.
- میزان ولتاژ: مقاومت الکتریکی باعث ایجاد کاهش در ولتاژ است. به ازای مقدار ثابت جریان، هر چه مقاومت بیشتر باشد، ولتاژ کمتری خواهد بود.
- انتقال حرارت: برخی مواد دارای ویژگی‌های حرارتی هستند که تحت تأثیر مقاومت الکتریکی قرار می‌گیرند. به عنوان مثال، در برخی مقاومت‌ها، افزایش جریان الکتریکی می‌تواند منجر به ایجاد گرمای بیشتر در ماده شود. این ویژگی می‌تواند در طراحی سیستم‌های خنک‌کننده و کنترل دما مورد استفاده قرار بگیرد.کاربردهای الکترونیکی: مفهوم مقاومت الکتریکی در طراحی و تحلیل مدارهای الکترونیکی بسیار اهم است. از مقاومت‌ها در مدارهای سری و موازی برای کنترل جریان، تقسیم ولتاژ، تنظیم سطح سیگنال و تنظیم پایه تغذیه استفاده می‌شود.کاربردهای برق‌نور: در مواردی مانند لامپ‌ها و دیودهای LED، مقاومت الکتریکی برای تنظیم و کنترل جریان به کار می‌رود. با تنظیم مقاومت، می‌توان جریان را تناسبی با نیاز دستگاه تنظیم کرد و در نتیجه شدت نور و یا روشنایی را تغییر داد.مقاومت پیشخوان‌ها: در سیستم‌های قدرت، مقاومت الکتریکی برای کنترل جریان در مدارهای پیشخوان (Current-limiting) استفاده می‌شود. این مقاومت‌ها با کنترل جریان و جلوگیری از افزایش ناگهانی جریان، از خطرات مربوط به بروز شرایط نامطلوب مانند کاهش عمر دستگاه‌ها و قطعات محافظت می‌کنند.
مقاومت الکتریکی در مدار، همانند یک مسدود کننده مسیر آب در منبع آب عمل می کند. با قرار گیری این قطعه در یک مدار الکتریکی، مسیر حرکت جریان الکتریکی کند شده و یا به عبارتی بهتر، جریان الکتریکی گذرنده از مدار محدود خواهد شد.
مقاومت های الکتریکی دارای اندازه های مختلف با توان های متفاوت هستند. یکای اندازه گیری مقاومت الکتریکی به افتخار دانشمند آلمانی گئوروگ زیمون اهم، اهم در نظر گرفته شده است. در کنار این، هر مقاومت دارای یک توان است. به عبارت دیگر، یک مقاومت می تواند تا یک توان مشخصی را اتلاف و یا محدود کند. آنطور که اطلاع دارید، توان از حاصلضرب جریان در ولتاژ بدست می آید. یک مقاومت هم جریان مشخصی را می تواند از خود عبور دهد. برای اندازه گیری میزان مقاومت یک مقاومت الکتریکی به اهم می توان هم از رنگ بندی آن و هم به کمک یک مولتی متر، مقدار آن را اندازه گیری نمود. پس از آشنایی با مفهوم مقاومت، قسمت بعدی به قرار گیری و محاسبات آن در مدار می پردازیم.
اتصال مقاومت به منبع تغذیه
مقاومت می‌تواند به منبع تغذیه به چندین روش متفاوت متصل شود، بسته به نوع منبع تغذیه و نیازهای مدار یا سیستمی که در آن استفاده می‌شود. چندین روش رایج برای اتصال مقاومت به منبع تغذیه عبارتند از:
- اتصال سری (Series Connection): در اتصال سری، مقاومت به ترتیب با منبع تغذیه و سایر اجزای مدار سری شده است. در این حالت، جریان در سری می‌گذرد و مقدار جریان در تمام اجزا یکسان است. ولتاژ بر روی مقاومت بسته به مقدار مقاومت و جریان تعیین می‌شود با استفاده از قانون اهم (V = I * R).
- اتصال موازی (Parallel Connection): در اتصال موازی، هر دو سر مقاومت به منبع تغذیه متصل می‌شود و مقاومت پارالل با سایر اجزای مدار قرار می‌گیرد. در این حالت، ولتاژ در تمام اجزا یکسان است و جریان بین اجزا تقسیم می‌شود. مقدار جریان در مقاومت توسط قانون اهم تعیین می‌شود.
- اتصال ترکیبی (Combination Connection): در برخی موارد، مقاومت می‌تواند به صورت ترکیبی از اتصال سری و موازی به منبع تغذیه متصل شود. این شامل اتصال مقاومت‌ها به صورت زنجیره‌ای (سری) و سپس تمام زنجیره‌های سری را به صورت موازی با یکدیگر می‌باشد.
مقاومت به طور معمول با استفاده از سیم‌ها، پین‌ها، لحیم‌کاری یا اتصالات دیگر به منبع تغذیه متصل می‌شود. در هر صورت، باید مطمئن شوید که اتصالات محکم و صحیح است . پس از شناخت مفهوم مقاومت و معرفی کلی مقاومت، این قسمت نحوه اتصال ساده آن به منبع تغذیه می پردازد. ابتدا به تصویر زیر دقت کنید.
مطابق تصویر فوق، جریان الکتریکی از مقاومت عبور می کند. هامطور که از قسمت های پیشین با هم دیدیم، مقاومت جریان الکتریکی را محدود می کند. در مدار فوق هم به عنوان مثال اگر ولتاژ منبع تغذیه ۱۲ ولت و مقاومت ما ۱ کیلو اهم باشد، مطابق قانون اهم، جریان قابل گذر پس از قرارگیری مقاومت برابر با ۱۰۰۰/۱۲ یا ۰٫۰۱۲ آمپر خواهد شد. در این حالت اگر حتی جریان منبع تغذیه ۱۰ آمپر هم باشد، تنها ۰٫۰۱۲ آمپر پس از مقاومت قابل دسترسی و استفاده است.در کنار این مباحث، بحث توان مقاومت بسیار مهم است. قسمت بعدی مربوط به این موضوع خواهد بود. اما پیش از آن به نحوه قرارگیری مقاومت در مدارها پرداخته و سپس در آخر بحث توان را مطرح خواهیم کرد.
نحوه قرارگیری مقاومت در مدار
مقاومت های الکتریکی به دو صورت سری و موازی می توانند در مدار قرار گیرند. در حالت موازی ولتاژ مقاومت ها برابر اما جریان بین مقاومت ها تقسیم می شود. در حالت سری اما ولتاژ مقاومت ها جمع کل ولتاژ اما جریان همه مقاومت ها برابر است. به تصویر زیر دقت کنید.
مطابق تصویر فوق، مقاومت ها دارای ولتاژ یکسانی هستند. اما جریان هر مقاومت از تقسیم ولتاژ بر اندازه آن (اهم) محاسبه می گردد. در کنار این، می توان مقاومت ها را به صورت معادل هم محاسبه نمود. در حالت موازی، جمع معادل مقاومت ها برابر با عبارت زیر است.
……+RT=1/R1 + 1/R2+1/R3
در کنار این، در حالت سری نیز، جریان گذرنده از تمام مقاومت ها برابر بوده و جمع ولتاژ کل مقاومت ها باید ولتاژی که بر دو سر کل مقاومت ها قرار می گیرد، برابر باشد. به تصویر زیر دقت کنید.
در حالت سری، مطابق تصویر فوق، مقاومت معادل برابر با جمع اندازه مقاومت هاست. مطابق این موضوع داریم.
RT=R1+R2+R3+R4
پس از بررسی وضعیت مقاومت ها در حالت سری و موازی، قسمت بعدی را به توان مقاومت ها اختصاص می دهیم.
توان مقاومت
توان مقاومت (Power of Resistance) یا قدرت مصرفی مقاومت، نشان می‌دهد که چه مقدار توان الکتریکی به صورت حرارت توسط مقاومت جذب می‌شود یا توسط آن از دست می‌رود. توان مقاومت می‌تواند با استفاده از رابطه‌های زیر محاسبه شود:
- توان مقاومت در مدار DC:
در مدارهای DC (جریان مستقیم)، توان مقاومت (P) با استفاده از قانون قدرت (P = VI) محاسبه می‌شود، که V و I به ترتیب ولتاژ و جریان در مقاومت هستند. همچنین با استفاده از قانون اهم (V = IR)، توان مقاومت را می‌توان به شکلی دیگر نیز محاسبه کرد: P = I^2R = V^2/R.
- توان مقاومت در مدار AC:
در مدارهای AC (جریان متناوب) که ولتاژ و جریان آنها با زمان تغییر می‌کنند، محاسبه توان مقاومت پیچیده‌تر است. در این حالت، توان مقاومت متغیر است و به عواملی مانند زاویه فاز بین ولتاژ و جریان، فاز ولتاژ و جریان، و جذب یا تولید توان متغیر در مقاومت بستگی دارد. برای محاسبه توان مقاومت در مدار AC، از روش‌های پیچیده‌تری مانند استفاده از ترکیب فازی و روش‌های تحلیل فوریه استفاده می‌شود.
توان مقاومت به عنوان یک معیار برای تولید حرارت در مقاومت مهم است. در برخی موارد، مقاومت‌ها طراحی می‌شوند تا توان آنها را به حداکثر برسانند، به عنوان مثال در المنت‌های گرمایشی مانند الکتریکی و ترمیستورها.توان مقاومت در مدارها به عنوان یک معیار مهم مورد استفاده قرار می‌گیرد. در برخی موارد، مقاومت‌ها به طور عمدی برای تحمل توان بالا طراحی می‌شوند، در حالی که در موارد دیگر نیاز به مقاومت‌های با توان کمتر است. برای انتخاب مقاومت مناسب در یک مدار، لازم است توان مقاومت را در نظر بگیرید تا از احتمال آسیب دیدن مقاومت به دلیل تولید حرارت زیاد جلوگیری شود.در صورتی که توان مقاومت بیش از حد طراحی شده باشد و حرارت زیادی تولید شود، می‌تواند باعث خرابی مقاومت، تغییر مقاومت و کاهش عمر مفید آن شود. در برخی موارد، از عناصر خنک‌کننده مانند رادیاتورها و فن‌ها استفاده می‌شود تا حرارت تولید شده توسط مقاومت را تا حداقلی کاهش دهند.توان مقاومت همچنین در محاسبه ابعاد فیزیکی مقاومت‌ها و همچنین در انتخاب مقاومت‌های مناسب برای استفاده در مدارها و سیستم‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. هنگام انتخاب مقاومت، باید به دقت توان مقاومت مورد نیاز را محاسبه و مقاومتی را که توان مورد نیاز را تحمل کند را انتخاب کنید.به طور کلی، برای انتخاب مقاومت مناسب، باید به ولتاژ و جریان مدار، نوع و ماده ساختاری مقاومت، محیط عملکرد (دما، رطوبت و …) و نیازمندی‌های توان مقاومت توجه کنید.یکی از پارامترهای مهم در انتخاب مقاومت ها، مسئله توان آن هاست. همانطور که پیشتر گفته شد، هر مقاومت قادر به اتلاف یک توان مشخص است. به عبارت دیگر، در صورتیکه توان یک مقاومت یک وات باشد، حاصلضرب جریان و ولتاژ گذرنده نباید از یک وات بیشتر شود. برای روشن تر شدن موضوع، فرض کنید توان یک مقاومت دارای اندازه یک کیلو اهمی با توان یک واتی است. از طرفی دیگر قصد دارید این مقاومت را به یک منبع تغذیه ۱۲ ولتی با جریان ۷۴ آمپر متصل کنید. مطابق رابطه توان داریم.
P=v*I =>12*74=888
به عبارت دیگر، توان منبع تغذیه ۸۸۸ وات و توان مقاومت یک وات است. بنابراین این مقاومت را می توان به طور موازی با منبع تغذیه قرار داد. این مورد را می توان مشابه جنس کابل ها در انتقال جریان الکتریکی در نظر گرفت. اگر جریان گذرنده از کابل زیاد و توان گذردهی جریان کابل پایین باشد، انتظار آتش گرفتن و سوختن کابل اجتناب ناپذیر است.
لوازم مورد نیاز
جمع بندی
مقاومت های الکتریکی یکی از مهم ترین و پرکاربردترین قطعات در مدارات مختلف به شمار می روند. به کمک این قطعه می توان جریان الکتریکی را محدود نمود. در این آموزش به تشریح مفهوم جریان و ولتاژ پرداختیم. پس از آن نقش و کاربرد مقاومت ها در مدارات مختلف را مورد بررسی قرار دادیم. در ادامه آرایش مقاومت ها در مدارات مختلف مورد بررسی قرار گرفت. در نهایت نیز به مفهوم توان و نقش آن در انتخاب مقاومت ها، پرداختیم.
چنانچه در رابطه با مطالب گفته شده در این آموزش ابهامی وجود دارد یا اینکه مطالب گفته شده را گنگ دیدید، حتما در انتهای همین پست مورد را به صورت ثبت کامنت مطرح کنید. من در سریعترین زمان ممکن پاسخ شما را خواهم داد. همچنین اگر موردی به صورت اشتباه درج شده، حتما آن را در کامنت مطرح کنید. تاکنون نزدیک به ۲۷ هزار کامنت در دیجی اسپارک ثبت شده! نظرات شما بسیار ارزشمند هستند!
سلام
یه سوال داشتم
اکه طبق محاسبات یه مقاومت ۱/۴ وات برای مدارمون کافی باشه ولی ما ۲ وات دم دست داشته باشیم و ازش استفاده کنیم (با همون مقدار مقاومت مشابه) مشکلی پیش نمیاد؟ و فقط پول بیشتری مصرف کردیم. منظورم اینه که بعد یه مدت برای خود مدار مشکلی پیش نمیاد؟
ممنون
سلام
خیر، در این حالت مقاومت توان بیشتری را می تواند تلف نماید.