کاربردهای مقاومت در مدارهای الکترونیکی

در این پست از سایت اِمیک, یک پست آموزشی با عنوان کاربردهای مقاومت در مدارهای الکترونیکی قرار داده شده است. مقاومت یکی از پرکاربردترین قطعات در مدارهای الکترونیکی است که نقش مهمی در کنترل جریان، تقسیم ولتاژ و تنظیم عملکرد قطعات دارد. تقریباً در بسیاری از مدارهای الکترونیکی، از مدارهای ساده LED گرفته تا مدارهای پیشرفته میکروکنترلری، از مقاومت استفاده میشود.

در ادامه این پست، با برخی از مهمترین کاربردهای مقاومت در مدارهای الکترونیکی و نحوه استفاده از آن آشنا می شویم.

محدود کردن جریان الکتریکی

یکی از مهمترین کاربردهای مقاومت، محدود کردن جریان عبوری از قطعات الکترونیکی است. قطعاتی مانند LED برای عملکرد صحیح به جریان مشخصی نیاز دارند و عبور جریان بیش از حد میتواند باعث آسیب دیدن آن ها شود.

برای مثال، اگر بخواهیم یک LED با ولتاژ مستقیم ۲ ولت را به منبع تغذیه ۵ ولت متصل کنیم، باید از یک مقاومت سری استفاده کنیم تا جریان LED را محدود کرده و جریان در محدوده مجاز باقی بماند. مقدار مقاومت از رابطه زیر محاسبه میشود:

در این رابطه VCC​ ولتاژ تغذیه، VF​ ولتاژ مستقیم LED و $I$ جریان مصرفی مورد نیاز LED است. برای مثال، با فرض اینکه جریان مصرفی مورد نیاز LED برابر ۱۰ میلی آمپر باشد و ولتاژ مستقیم LED نیز 2 ولت باشد با ولتاژ تغذیه 5 ولت، مقدار مقاومت برابر ۳۰۰ اهم میشود که میتوان از مقاومت استاندارد ۳۳۰ اهم استفاده کرد.

تقسیم ولتاژ با مقاومت

از دو مقاومت سری میتوان برای تقسیم ولتاژ و ایجاد ولتاژی کمتر از ولتاژ ورودی استفاده کرد. این مدار را تقسیم کننده ولتاژ می نامند.

ولتاژ خروجی از رابطه زیر به دست می آید:

از این روش در مدارهای اندازه گیری ولتاژ باتری، ورودی ADC میکروکنترلرها و برخی مدارهای بایاس استفاده میشود.

برای مثال، در صورتی که در مدار بالا مقدار مقاومت R1 برابر 15 کیلو اهم و R2 برابر ۱۰ کیلو اهم باشد و ولتاژ ورودی یا Vin نیز برابر ۱۲ ولت باشد، ولتاژ خروجی یا Vout در حالت بی باری برابر 4.8 ولت می شود.

نکته: ولتاژ خروجی تقسیم کننده با اتصال بار ممکن است تغییر کند. بنابراین باید مقاومت ورودی مدار بعدی نیز در نظر گرفته شود.

بایاس ترانزیستور

در مدارهای ترانزیستوری، مقاومت ها برای تنظیم جریان و ولتاژ پایه های ترانزیستور و تعیین نقطه کار آن استفاده می شوند.

برای مثال، در یک مدار تقویت کننده، مقاومت های بایاس کمک می کنند ترانزیستور در ناحیه کاری مناسب قرار بگیرد. همچنین، در مدارهای کلیدزنی، مقاومت بیس ترانزیستور BJT یا مقاومت گیت در برخی مدارهای MOSFET برای کنترل شرایط راه اندازی به کار می رود.

انتخاب صحیح این مقاومت ها باعث میشود ترانزیستور عملکرد مناسب تری داشته باشد و از وارد شدن جریان نامناسب به ورودی آن جلوگیری شود.

مقاومت پول آپ (Pull-up) و پول دان (Pull-down)

در مدارهای دیجیتال، ورودی بعضی از قطعات نباید بدون اتصال مشخص رها شود. زیرا ممکن است تحت تأثیر نویز، وضعیت منطقی نامعینی پیدا کند. برای حل این مشکل از مقاومت های پول آپ (Pull-up) و پول دان (Pull-down) استفاده میشود:

• پول آپ: ورودی را از طریق مقاومت به ولتاژ مثبت تغذیه متصل میکند تا در حالت عادی در سطح منطقی بالا قرار بگیرد.
• پول دان: ورودی را از طریق مقاومت به زمین متصل میکند تا در حالت عادی در سطح منطقی پایین قرار بگیرد.

این مقاومت ها در مدار کلیدها، شستی ها، ورودی میکروکنترلرها و خطوط ارتباطی مانند I2C کاربرد فراوانی دارند.

تنظیم بهره و فیدبک در مدارهای تقویت کننده

مقاومت ها در مدارهای تقویت کننده عملیاتی (Op-Amp) برای تعیین بهره ولتاژ و تنظیم عملکرد مدار استفاده می شوند. برای مثال، در یک تقویت کننده وارونگر، نسبت مقاومت فیدبک به مقاومت ورودی، بهره ولتاژ را تعیین میکند:

اگر مقاومت فیدبک ۱۰۰ کیلو اهم و مقاومت ورودی ۱۰ کیلو اهم باشد، بهره ایده آل مدار برابر با منفی ۱۰ خواهد بود. این کاربرد در تقویت سیگنال سنسورها، فیلترهای فعال و بسیاری از مدارهای پردازش سیگنال اهمیت دارد.

اندازه گیری جریان با مقاومت شنت

برای اندازه گیری جریان در بسیاری از مدارهای الکترونیکی، از مقاومت با مقدار کم به نام مقاومت شنت (Shunt Resistor) استفاده میشود. این مقاومت به صورت سری در مسیر جریان قرار میگیرد و با اندازه گیری ولتاژ دو سر آن، میتوان جریان عبوری را محاسبه کرد:

برای مثال، اگر مقاومت شنت ۰.۱ اهم باشد و ولتاژ دو سر آن ۰.۲ ولت اندازه گیری شود، جریان عبوری برابر با ۲ آمپر خواهد بود. از این روش در منابع تغذیه، کنترل جریان موتور، مدارهای شارژ باتری و سیستم های اندازه گیری استفاده میشود.

تخلیه خازن با استفاده از مقاومت

خازن ها می توانند پس از قطع تغذیه، انرژی الکتریکی را برای مدتی ذخیره کنند. برای تخلیه تدریجی این انرژی، از مقاومت دشارژ استفاده می شود. این مقاومت در منابع تغذیه و مدارهای دارای خازن های بزرگ کاربرد دارد و کمک می کند ولتاژ خازن پس از قطع برق کاهش یابد.

سرعت دشارژ به مقدار مقاومت و ظرفیت خازن بستگی دارد. هرچه مقدار مقاومت کمتر باشد، خازن سریع تر تخلیه میشود. البته جریان اولیه و توان تلفاتی مقاومت نیز افزایش می یابد.

محدود کردن جریان هجومی

در بعضی مدارها، هنگام وصل تغذیه جریان لحظه ای زیادی ایجاد و کشیده می شود. به این جریان، جریان هجومی (Inrush Current) گفته می شود.

برای مثال، هنگام شارژ اولیه خازن های بزرگ در منابع تغذیه، ممکن است جریان زیادی از منبع کشیده شود. استفاده از مقاومت سری یا ترمیستور NTC در طراحی مناسب می تواند این جریان را محدود کند.

همچنین، از مقاومت سری در ورودی برخی مدارات و دستگاه های الکترونیکی برای محدود کردن جریان به کار می روند. البته مقاومت به تنهایی جایگزین فیوز یا مدار حفاظت اضافه جریان نیست و باید توان تلفاتی و شرایط کاری آن بررسی شود.

مقاومت یکی از اجزای اساسی مدارهای الکترونیکی است و کاربردهای آن تنها به محدود کردن جریان خلاصه نمی شود. برخی از مهمترین کاربردهای مقاومت در بالا توضیح داده شد.

برای انتخاب مقاومت مناسب علاوه بر مقدار اهمی، باید توان تلفاتی، تلرانس و شرایط کاری مدار را نیز در نظر گرفت. آشنایی با کاربردهای مقاومت می تواند درک شماتیک مدارها، عیب یابی و طراحی مدارهای الکترونیکی را آسان تر کند.

سوالات و نظرات خود را می‌توانید در زیر مطرح کنید.