المقاومات - Resistors

المقاومات واحدة من أكثر المكونات استخدامًا في الدوائر الإلكترونية، لدرجة أنّ وجودها في الدائرة الكهربائية يعتبر أمرًا مفروغًا منه تقريباً وأيضاً هي تلعب دوراً حيوياً داخل الدائرة الكهربائية، هناك العديد من أنواع المقاومات المختلفة المتاحة التي لها خصائص مختلفة وتستخدم بطرق مختلفة في دوائر مختلفة.

ما هي المقاومة؟

المقاومة: هي مكوّن كهربائي يقلل من التيار الكهربائي، تسمى قدرة المقاومة على تقليل التيار الكهربائي بالمقاومة ويتم قياسها بوحدات أوم (الرمز: Ω). إذا أجرينا تشابهاً مع تدفق المياه عبر الأنابيب، فإنّ المقاومة هي أنبوب رفيع يقلل من تدفق المياه، تُستخدم المقاومات في جميع الدوائر الإلكترونية تقريباً والعديد من الدوائر الكهربائية، المقاومات حيث يشير اسمها إلى مقاومة تدفق الكهرباء، وهذه الوظيفة هي مفتاح تشغيل معظم الدوائر.

هناك أنواع مختلفة من المقاومات، بعضها مخصص لتطبيقات خاصة مثل إستخدامها كمقاومات متغيّرة، والبعض الآخر يستخدم للحد من زيادة التيار بينما يوفر البعض الآخر مقاومة متغيرة مع درجة الحرارة. ومع ذلك، بالنسبة للمقاومات الثابتة، هناك خصائص مختلفة يجب أخذها بعين الإعتبار. على المستوى المجهري، تصنع المقاومات من مجموعة متنوعة من المواد التي هي موصلات، ولكنها ليست مثالية، لذا فإن قدرة الإلكترونات على التدفق تعوقها البنية الذرية للمواد المختارة. من خلال تغيير خصائص الموصل مثل موصلية المادة ومساحة السّطح وأطوال المادة المستخدمة، من الممكن التحكم في المقاومة للوصول للدقة المطلوبة.

قانون أوم – Ohm’s law:

معظم الناس على دراية بقانون أوم: (V = I.R) حيث V هو الجهد عبر المقاومة، و I هو التيار المتدفق في المقاومة، و R هي المقاومة. هذه هي المعادلة التي تربط التيار والجهد والمقاومة وهي أساس العمل مع المقاومات (والمكونات السلبية الأخرى).

إستهلاك الطاقة للمقاومة (P) يقاس بالواط (W) تساوي تيار المقاوم (I) والذي يقاس بالأمبير (A) مضروب بجهد المقاومة (V) و يقاس بالفولت (V):

P = I × V

إستهلاك الطاقة للمقاومة (P) يقاس بالواط (W) يساوي القيمة المربعة لتيار المقاوم (I) و يقاس بالأمبير (A) مضروباً بمقاومة المقاوم (R) والتي تقاس بالأوم (Ω):

P = I ² × R

إستهلاك الطاقة للمقاومة (P) وتقاس بالواط (W) تساوي القيمة المربعة لجهد المقاوم (V) بالفولت (V) مقسومًا على مقاومة المقاوم (R) بالأوم (Ω):

P = V ² / R

طرق توصيل المقاومات:

توصيل المقاومات على التوازي – Resistors in parallel:

يتم الحصول على إجمالي المقاومة المكافئة للمقاومات الموصولة على التوازي R_Total بواسطة:

لذلك عندما تضاف المقاومات الموصولة على التوازي، تنخفض المقاومة الكلية.

توصيل المقاومات على التوالي – Resistors in series:

إجمالي المقاومة المكافئة للمقاومات الموصولة على التوالي R_total  هو مجموع قيم المقاومات:

…+ R_total = R₁+ R₂+ R₃

لذلك عند إضافة المقاومات الموصولة على التوالي، تزداد المقاومة الكلية.

الأبعاد والمواد المؤثرة:

المقاومة (R) بالأوم (Ω) للمقاوم تساوي المقاومة (ρ) في أوم متر (Ω ∙ m) مضروبًا في طول المقاوم l بالأمتار (m) مقسومًا على منطقة المقطع العرضي للمقاوم A بالمتر المربع (m²):

ماذا تفعل المقاومات في الدائرة الكهربائية؟

للمقاومات إستخدامات عديدة في الدوائر الكهربائية، فيما يلي بعض الوظائف الأكثر شيوعًا، تتطلب معظم التطبيقات مقاومات متعددة في تكوينات متصلة على التوالي أو التوازي، تشمل بعض الإستخدامات الأكثر شيوعاً للمقاومات ما يلي:

• الفواصل المحتملة – Potential dividers: سيعطي إثنان أو أكثر من المقاومات الموصولة على التوالي جهداً عند نقطة الوصل يتناسب مع نسبة قيمها. تستخدم هذه الوظيفة على نطاق واسع في الدوائر لتوليد الفولتية المتوسطة.
  
• المقاومات المتحيّزة – Biasing resistors: تحتاج الترانزستورات والعديد من الأجهزة الأخرى إلى خصائص تشغيل التيار المتردد والتيار المستمر وقيم الكسب المعدة للتشغيل الصحيح. يتم ذلك بمقاومات متعددة وغالبًا ما تسمى التحيّز.
  
• كسب (Op-amp) وردود الفعل: تحتاج معظم دارات (op-amp) إلى تعيين ردود الفعل بواسطة مقاومات خارجية لشريحة مكبر الصوت، المقاومات هي الوسيلة الأساسية للقيام بذلك.
  
• تقييد التيار – Current limiting: يمكن إستخدام المقاومات للحد من كمية التيار التي تتدفق في عناصر الدائرة. هذه وظيفة أمان مفيدة في العديد من الدوائر، على سبيل المثال: الحد من التيار الذي يمكن أن يتدفق إلى (LED) لمعالجة سطوعه.
  
• المقاومة المتطابقة – Impedance matching: لتعظيم نقل الطاقة عند الترددات العالية، يجب أن تكون مقاومة طرفي الاستقبال والإرسال للدائرة متماثلة. يمكن للمقاومات على الأقل أن تؤدي هذا المطلب.
  
• قياس التيار – Current measuring: تحتاج العديد من الدوائر إلى معرفة مقدار التيار المتدفق، ومع ذلك، فمن الأسهل بكثير قياس الجهد، لذا فإنّ إدخال المقاومة في الدائرة لتطوير الجهد – تذكر قانون أوم – هو أسلوب شائع لقياس التيار.
  
• سحب البيانات والعناوين: تساعد هذه الوظيفة في تقليل مشكلات الضوضاء في النواقل في الكمبيوتر عالية السرعة. عندما يكون ناقل البيانات ثلاثي الحالات أو يتم دفعه عاليًا، غالبًا ما يكون من الضروري سحبه إلى حالة معروفة أو التأكد من إرتفاع إنتاجه بشكل أعلى بكثير من نقطة تبديل العناصر المنطقية الأخرى في الناقل، ويساعد السحب لأعلى على فعل هذا.
  

أنواع المقاومات:

هناك العديد من أنواع المقاومات المختلفة ويمكن صنعها من مواد مختلفة، ولكل منها مزاياها وعيوبها الفريدة، قبل النظر إلى المواد يجدر النظر في التكوينات المتنوعة المتاحة.

مقاومات القيمة الثابتة – Fixed Value Resistors:

هي النوع السائد من المقاومات وكما يوحي الإسم، لها قيمة مقاومة ثابتة. من الممكن شراء المقاوم بأي قيمة أومية تحتاجها، ولكن في الغالبية العظمى من الحالات، من الممكن “تعديل” الدائرة لتغيير القيمة المطلوبة. لهذا السبب تزود جميع الشركات المصنعة عائلات من المقاومات بعدد معين من المقاومات لكل قيمة.

المقاومات المتغيرة – Variable Resistors:

المقاومات المتغيرة (المعروفة أيضًا بإسم مقاييس الجهد): وهي مقاومات يمكن تغيير قيمتها إما عن طريق تدوير العمود أو في الأواني المحددة مسبقاً بواسطة مفك البراغي. المقاومة المتغيرة هي جهاز ثلاثي الأطراف، يُعرف الدبوس المركزي بالسهم بالممسحة وهو المكان الذي تتوفر فيه المقاومة المتغيرة. تأتي الأجهزة في شكل جهة اتصال متحركة تعمل على طول مسار المقاومة، أو في حالة الأجهزة متعددة الدورات المستخدمة كعناصر تحكم في اللوحة، يكون سلك ملفوف بإحكام. على الرغم من كونها مفيدة لضبط قيم المقاومة في الدائرة، إلّا أنّ “الأواني” يمكن أن تكون عرضة لحركة الممسحة بسبب الإهتزاز، وبالتالي يمكن أن تكون مشكلة إذا تم تحديدها بشكل خاطئ.

شبكات المقاومة – Resistor Networks:

غالباً ما تكون هناك حاجة إلى مقاومات متعددة من نفس القيمة، في تطبيقات سحب ناقل البيانات على سبيل المثال. بالنسبة لهذه التطبيقات من الممكن شراء حزم المقاومة إمّا كحزم مضمنة واحدة (SIL) أو حزم مضمنة مزدوجة (DIL). يمكن أن تأتي كمقاومات متعددة غير متصلة، أو مع دبوس واحد من كل مقاومة متصلة بجهة اتصال واحدة على العبوة. على الرغم من أنّ هذا الحل يمكن أن يكون أكثر تكلفة على أساس كل مقاومة، إلّا أنّ تكاليف التركيب أقل بالطبع لأنّ إدخال واحد فقط مطلوب وبالتالي يكون التوازن ممكناً.

أنواع المقاومات حسب المادة المصنوع منها:

مقاومة الكربون – Carbon Film Resistors:

تمّ إستبدال مقاومات الكربون إلى حد كبير بأنواع معدنية لتطبيقات الأغراض العامة، نظراً لضعف تحملها وخصائص الضوضاء. ومع ذلك لا يزال يتم إستخدامها في بعض التطبيقات المتخصصة. تتكون المقاومة من خلال تشكيل فيلم الكربون على ركيزة خزفية، هذا له مزايا متعددة، أولاً، الفيلم غير حثّي إلى حد كبير، ثانيًا، يعتبر السيراميك عازلاً ممتازاً للحرارة والكهرباء، ثالثًا، يحتوي التصميم على مقطع عرضي كبير.

لذا فإنّ الحث المنخفض يجعلها مفيدة للتطبيقات عالية التردد، كما أنّ المقطع العرضي الأكبر لها يفسح المجال لجهد تشغيل أعلى وقدرة أفضل على البقاء على قيد الحياة مقارنةً بالعديد من الأنواع الأخرى. نتيجة لذلك، على الرغم من أنّها أقل استخدامًا، إلّا أنّها لا تزال متوفرة بشكل شائع.

المقاومات المعدنية – Metal Film Resistors:

تصنع المقاومات المعدنية عن طريق وضع طبقة من المعادن مثل الروثينيوم على ركيزة عازلة. وهي متوفرة في عدد كبير من الأنواع ومقارنة بمقاومات الكربون، فإنّ بناءها أبسط لإنتاجها بكميات كبيرة وحجمها أصغر. لقد حلت المقاومات المعدنية محل المقاومات الكربونية إلى حد كبير في معظم التطبيقات القياسية نظرًا لضوضاءها المنخفضة وتحملها الأكثر إحكامًا ومعاملات درجة الحرارة الأفضل بشكل عام.

على الرغم من أنّها غالباً ما يُنظر إليها على أنّها مقاومة “قياسية”، فقد تطورت من أداء أقل إلى النقطة التي يتم فيها تقديمها بدقة عالية جدًا (0.1٪) و (TCRs) منخفضة في نطاق (PPM / C) أحادي الرقم. من الجدير بالذكر أنّ المقاومات المعدنية متوفرة في كل من النوعين من ثقوب الحوض والسطح (chip resistor).

المقاومات السلكية – Wirewound Resistors:

تتميز المقاومات السلكية ببعض الخصائص في التطبيقات المتخصصة، مثل الأجهزة عالية الدقة حيث يكون التحمل أفضل بكثير من 0.01٪ ومعاملات درجات الحرارة المنخفضة جدًا (TCR). غالباً ما تكون أيضاً نوع المقاومة المفضل لتطبيقات الطاقة العالية (تتوفر منها حتى 100 واط). ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أنّها تتكون من سلك ملفوف حول لب معزول، لا يوصى بإستخدام هذه المقاومات للتطبيقات عالية التردد.

مقاومة أكسيد المعدن – Metal Oxide Resistors:

تشبه هذه المقاومات المقاومات المعدنية، باستثناء أنّ العنصر المقاوم هو أكسيد (غالبًا يكون من القصدير). يختلف أدائها بمهارة عن المقاومة المعدنية من حيث أنّها عادةً ما تكون أفضل لتطبيقات الجهد العالي والطاقة الأعلى من أجزاء المقاومة المعدنية. ومع ذلك، يتم تقديمها عادةً في نطاقات أصغر وقد توفر تفاوتات منخفضة و(TCRs). مرة أخرى، يتم تقديمها في كل من أنواع التثبيت السطحي ومن خلال الفتحات.

مقاومات – Metal Strip Resistors:

هذه المقاومات تستخدم بشكل عام لتطبيقات القياس الحالية في مصادر الطاقة. تتميز بقيم أومية منخفضة جداً في كثير من الأحيان، لذلك يتم تقديمها مع معاملات درجة حرارة منخفضة نسبياً وتبديد طاقة متوسط في الدائرة الكلية. كما يوحي الإسم، فهي عبارة عن شريط معدني مشذب بالليزر. السمة الرئيسية الأخرى لهذه الأجهزة هي المقاومة الحرارية المنخفضة حيث من المحتمل أن تحمل تيارات عالية مما قد يؤدي إلى الحاجة إلى تبديد الحرارة المتولدة أثناء التشغيل.