ทำความเข้าใจคุณลักษณะและการใช้งานของตัวต้านทานประเภททั่วไปแต่ละประเภท เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพให้กับโครงการอิเล็กทรอนิกส์ของคุณ
มี ตัวต้านทานหลายประเภท ให้ผู้สร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เลือกใช้ ตั้งแต่ตัวต้านทานแบบชิปติดพื้นผิวขนาดเล็กไปจนถึงตัวต้านทานกำลังไฟฟ้าแบบพันลวดขนาดใหญ่
หน้าที่หลักของตัวต้านทานภายในวงจรไฟฟ้าหรืออิเล็กทรอนิกส์คือ “ต้านทาน” (จึงเรียกว่า ตัวต้านทาน ) ควบคุมหรือตั้งค่าการไหลของอิเล็กตรอน (กระแสไฟฟ้า) ผ่านตัวต้านทานโดยใช้วัสดุตัวนำชนิดต่างๆ ที่ประกอบขึ้นจากตัวต้านทาน ตัวต้านทานสามารถเชื่อมต่อกันแบบอนุกรมและขนานเพื่อสร้างเครือข่ายตัวต้านทานซึ่งสามารถทำหน้าที่เป็นตัวลดแรงดันไฟ ตัวแบ่งแรงดันไฟ หรือตัวจำกัดกระแสภายในวงจร
ตัวต้านทานแบบทั่วไป
ตัวต้านทานคือสิ่งที่เรียกว่า "อุปกรณ์แบบพาสซีฟ" ซึ่งหมายความว่าตัวต้านทานไม่มีแหล่งจ่ายพลังงานหรือตัวขยายสัญญาณ แต่ทำหน้าที่เพียงลดหรือลดแรงดันไฟหรือสัญญาณกระแสไฟฟ้าที่ผ่านตัวต้านทานเท่านั้น การลดทอนนี้ส่งผลให้สูญเสียพลังงานไฟฟ้าในรูปของความร้อน เนื่องจากตัวต้านทานต้านทานการไหลของอิเล็กตรอนผ่านตัวต้านทาน
จากนั้นจะต้องเกิดความต่างศักย์ระหว่างขั้วทั้งสองของตัวต้านทานเพื่อให้กระแสไฟฟ้าไหล ความต่างศักย์นี้จะช่วยปรับสมดุลพลังงานที่สูญเสียไป เมื่อใช้ในวงจร DC ความต่างศักย์ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าแรงดันตกของตัวต้านทาน จะถูกวัดข้ามขั้วขณะที่กระแสไฟฟ้าในวงจรไหลผ่านตัวต้านทาน
ตัวต้านทานส่วนใหญ่เป็นอุปกรณ์เชิงเส้นที่สร้างแรงดันตกคร่อมตัวเองเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน เนื่องจากเป็นไปตามกฎของโอห์ม และค่าความต้านทานที่ต่างกันก็สร้างกระแสหรือแรงดันที่ต่างกัน ซึ่งอาจมีประโยชน์มากในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ โดยควบคุมหรือลดการไหลของกระแสหรือแรงดันที่เกิดขึ้นบนวงจรเหล่านี้ เราสามารถสร้างตัวแปลงแรงดันเป็นกระแสและกระแสเป็นแรงดันได้
ตัวต้านทานมีอยู่หลายพัน ชนิด และมีการผลิตในรูปแบบต่างๆ เนื่องด้วยคุณลักษณะเฉพาะและความแม่นยำของตัวต้านทานจึงเหมาะกับการใช้งานในพื้นที่เฉพาะ เช่น ความเสถียรสูง แรงดันไฟฟ้าสูง กระแสไฟฟ้าสูง เป็นต้น หรือใช้เป็นตัวต้านทานวัตถุประสงค์ทั่วไปที่มีคุณลักษณะเป็นปัญหาไม่มากนัก
ลักษณะทั่วไปบางประการที่เกี่ยวข้องกับตัวต้านทานแบบอ่อนน้อม ได้แก่ ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ ค่าสัมประสิทธิ์แรงดันไฟฟ้า สัญญาณรบกวน การตอบสนองความถี่ กำลังไฟ รวมถึง ค่าอุณหภูมิของตัวต้านทาน ขนาดทางกายภาพ และ ความน่าเชื่อถือ
ในแผนผังวงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์และแผนผังวงจรทั้งหมด สัญลักษณ์ที่ใช้กันทั่วไปสำหรับตัวต้านทานค่าคงที่คือเส้นแบบซิกแซก โดยมีค่าความต้านทานเป็นโอห์ม Ωตัวต้านทานมีค่าความต้านทานคงที่ตั้งแต่ต่ำกว่า 1 โอห์ม ( <1Ω ) ไปจนถึงมากกว่าสิบล้านโอห์ม ( >10MΩ )
ตัวต้านทานแบบคงที่จะมีค่าความต้านทานเพียงค่าเดียว เช่น 100Ωแต่ตัวต้านทานแบบปรับค่าได้ (โพเทนชิออมิเตอร์) สามารถให้ค่าความต้านทานได้ไม่จำกัดจำนวนตั้งแต่ 0 ถึงค่าสูงสุด
สัญลักษณ์ตัวต้านทานมาตรฐาน
สัญลักษณ์ที่ใช้ทั่วไปในแผนผังและภาพวาดทางไฟฟ้าของตัวต้านทานอาจเป็นเส้นซิกแซกหรือกล่องสี่เหลี่ยมผืนผ้าก็ได้
ตัวต้านทานค่าคงที่สมัยใหม่ทั้งหมดสามารถแบ่งออกเป็นสี่กลุ่มกว้างๆ ดังนี้
มีตัวต้านทานแบบคงที่และแบบปรับได้หลากหลายประเภท โดยแต่ละประเภทมีรูปแบบการสร้างที่แตกต่างกันไป โดยแต่ละประเภทจะมีลักษณะ ข้อดี และข้อเสียเฉพาะตัวเมื่อเปรียบเทียบกับประเภทอื่นๆ หากรวมตัวต้านทานทุกประเภทไว้ด้วยกัน จะทำให้หัวข้อนี้ยาวมาก ดังนั้น ฉันจะจำกัดเฉพาะตัวต้านทานประเภททั่วไปที่ใช้กันทั่วไปและหาได้ง่ายที่สุดเท่านั้น
ตัวต้านทานคาร์บอน เป็น ตัวต้านทานแบบองค์ประกอบ ชนิดที่พบได้ทั่วไปที่สุด ตัวต้านทานคาร์บอนเป็นตัวต้านทานเอนกประสงค์ราคาถูกที่ใช้ในวงจรไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ องค์ประกอบตัวต้านทานผลิตจากผงคาร์บอนหรือกราไฟต์บดละเอียด (คล้ายกับไส้ดินสอ) และผงเซรามิก (ดินเหนียว) ที่ไม่นำไฟฟ้าเพื่อยึดทุกอย่างเข้าด้วยกัน
ตัวต้านทานคาร์บอน
อัตราส่วนของฝุ่นคาร์บอนต่อเซรามิก (ตัวนำต่อฉนวน) กำหนดค่าความต้านทานโดยรวมของส่วนผสม และยิ่งอัตราส่วนของคาร์บอนสูงขึ้น ความต้านทานโดยรวมก็จะยิ่งลดลง ส่วนผสมจะถูกหล่อเป็นรูปทรงกระบอกโดยมีลวดโลหะหรือสายนำติดอยู่ที่ปลายแต่ละด้านเพื่อให้มีการเชื่อมต่อไฟฟ้าตามที่แสดง ก่อนที่จะเคลือบด้วยวัสดุฉนวนภายนอกและเครื่องหมายสีเพื่อระบุค่าความต้านทาน
ตัวต้านทานคาร์บอน
ตัว ต้านทานแบบคาร์บอนคอมโพสิต เป็นตัวต้านทานชนิดกำลังต่ำถึงปานกลางซึ่งมีค่าเหนี่ยวนำต่ำ ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานความถี่สูง แต่ก็อาจเกิดเสียงรบกวนและความเสถียรเมื่อร้อนได้เช่นกัน ตัวต้านทานแบบคาร์บอนคอมโพสิตโดยทั่วไปจะมี สัญลักษณ์ “CR” นำหน้า (เช่น CR10kΩ ) และมีจำหน่ายใน แพ็คเกจ E6 ( ค่าคลาดเคลื่อน ± 20% (ความแม่นยำ)) E12 ( ค่าคลาดเคลื่อน ± 10% ) และ E24 ( ค่าคลาดเคลื่อน ± 5% ) โดยมีพิกัดกำลังตั้งแต่ 0.250 หรือ 1/4 วัตต์ ไปจนถึง 5 วัตต์
ตัวต้านทานแบบคาร์บอนคอมโพสิตมีราคาถูกมากในการผลิต จึงนิยมใช้ในวงจรไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม เนื่องจากกระบวนการผลิต ตัวต้านทานแบบคาร์บอนจึงมีค่าความคลาดเคลื่อนสูงมาก ดังนั้น เพื่อความแม่นยำที่มากขึ้นและความต้านทานที่มีค่าสูง จึง ใช้ตัวต้านทานแบบฟิล์ม แทน
คำศัพท์ทั่วไปว่า “ ตัวต้านทานแบบฟิล์ม ” ประกอบด้วย ตัวต้านทานประเภท ฟิล์มโลหะฟิล์ม คาร์บอน และ ฟิล์มโลหะออกไซด์ ซึ่งโดยทั่วไปทำขึ้นโดยการสะสมโลหะบริสุทธิ์ เช่น นิกเกิล หรือฟิล์มออกไซด์ เช่น ดีบุกออกไซด์ ลงบนแท่งเซรามิกหรือสารตั้งต้นที่เป็นฉนวน
ตัวต้านทานแบบฟิล์ม
ค่าความต้านทานของตัวต้านทานจะถูกควบคุมโดยการเพิ่มความหนาที่ต้องการของฟิล์มที่สะสมไว้ ทำให้ได้ชื่อว่า “ตัวต้านทานแบบฟิล์มหนา” หรือ “ตัวต้านทานแบบฟิล์มบาง”
เมื่อวางฟิล์มแล้ว จะใช้เลเซอร์ในการตัดฟิล์มให้เป็นร่องเกลียวที่มีความแม่นยำสูง การตัดฟิล์มจะช่วยเพิ่มเส้นทางการนำไฟฟ้าหรือความต้านทาน คล้ายกับการนำลวดตรงยาวๆ มาขึ้นรูปเป็นขดลวด
วิธีการผลิตนี้ทำให้ตัวต้านทานมีค่าความคลาดเคลื่อนใกล้เคียงกันมากขึ้น (1% หรือต่ำกว่า) เมื่อเปรียบเทียบกับตัวต้านทานชนิดที่มีองค์ประกอบคาร์บอนแบบธรรมดา ค่าความคลาดเคลื่อนของตัวต้านทานคือความแตกต่างระหว่างค่าที่ต้องการ (เช่น 100 โอห์ม) กับค่าจริงที่ผลิตขึ้น เช่น 103.6 โอห์ม และแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ เช่น 5%, 10% เป็นต้น และในตัวอย่างของเรา ค่าความคลาดเคลื่อนจริงคือ 3.6% ตัวต้านทานชนิดฟิล์มยังให้ค่าโอห์มสูงสุดที่สูงกว่ามากเมื่อเทียบกับตัวต้านทานชนิดอื่นๆ และมีค่าเกิน 10MΩ (10 ล้านโอห์ม) ให้เลือก
ตัวต้านทานแบบฟิล์ม
ตัวต้านทานฟิล์มโลหะ มีเสถียรภาพด้านอุณหภูมิที่ดีกว่าตัวต้านทานคาร์บอนเทียบเท่ามาก มีเสียงรบกวนน้อยกว่า และโดยทั่วไปแล้วจะดีกว่าสำหรับการใช้งานความถี่สูงหรือความถี่วิทยุ ตัวต้านทานออกไซด์ของโลหะ มีความสามารถกระแสไฟกระชากสูงที่ดีกว่าโดยมีระดับอุณหภูมิที่สูงกว่าตัวต้านทานฟิล์มโลหะเทียบเท่ามาก
ตัวต้านทานแบบฟิล์มอีกประเภทหนึ่งที่เรียกกันทั่วไปว่า ตัวต้านทานแบบฟิล์มหนา ผลิตขึ้นโดยการเคลือบสารตัวนำที่หนากว่ามากซึ่ง ประกอบด้วย CER amic และ MET al ที่เรียกว่า Cermetลงบนพื้นผิวเซรามิกอะลูมินา ตัวต้านทานแบบ Cermet มีคุณสมบัติคล้ายกับตัวต้านทานแบบฟิล์มโลหะ และโดยทั่วไปจะใช้ในการผลิตตัวต้านทานแบบชิปติดตั้งบนพื้นผิวขนาดเล็ก เครือข่ายตัวต้านทานหลายตัวในแพ็คเกจเดียวสำหรับ PCB และตัวต้านทานความถี่สูง ตัวต้านทานเหล่านี้มีเสถียรภาพทางอุณหภูมิที่ดี เสียงรบกวนต่ำ และแรงดันไฟฟ้าที่ดี แต่มีคุณสมบัติกระแสไฟกระชากต่ำ
ตัวต้านทานฟิล์มโลหะ มี สัญลักษณ์ “MFR” นำหน้า (เช่น MFR100kΩ ) และ CF สำหรับประเภทฟิล์มคาร์บอน ตัวต้านทานฟิล์มโลหะมีให้เลือกทั้งแบบ E24 (ค่าคลาดเคลื่อน ±5% และ ±2%) E96 (ค่าคลาดเคลื่อน ±1%) และ E192 (ค่าคลาดเคลื่อน ±0.5%, ±0.25% และ ±0.1%) พร้อมกำลังไฟตั้งแต่ 0.05 (1/20) วัตต์ถึง 1/2 วัตต์ โดยทั่วไป ตัวต้านทานฟิล์มและโดยเฉพาะตัวต้านทานฟิล์มโลหะเป็นส่วนประกอบที่มีกำลังไฟต่ำอย่างแม่นยำ
ตัวต้านทานอีกประเภทหนึ่งเรียกว่า ตัวต้านทานแบบพันลวดทำโดยการพันลวดโลหะผสมบางๆ (นิโครม) หรือลวดที่คล้ายคลึงกันเข้ากับตัวสร้างเซรามิกที่เป็นฉนวนในลักษณะเกลียวคล้ายกับตัวต้านทานแบบฟิล์มด้านบน
ตัวต้านทานแบบพันลวด
โดยทั่วไปตัวต้านทานประเภทนี้จะมีให้ใช้ได้เฉพาะค่าความแม่นยำสูงโอห์มิกต่ำมาก (ตั้งแต่ 0.01Ω ถึง 100kΩ ) เนื่องจากขนาดของสายและจำนวนรอบที่เป็นไปได้ของตัวต้านทาน ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้ในวงจรการวัดและการใช้งานประเภทสะพานวีตสโตน
ตัวต้านทานเหล่านี้สามารถรองรับกระแสไฟฟ้าที่สูงกว่าตัวต้านทานอื่นๆ ที่มีค่าโอห์มเดียวกันที่มีกำลังไฟฟ้าเกิน 300 วัตต์ได้มาก ตัวต้านทานที่มีกำลังไฟฟ้าสูงเหล่านี้ถูกหล่อหรืออัดขึ้นรูปเข้ากับตัวระบายความร้อนอะลูมิเนียมที่มีครีบติดไว้เพื่อเพิ่มพื้นที่ผิวโดยรวมเพื่อส่งเสริมการสูญเสียความร้อนและการระบายความร้อน
ตัวต้านทานชนิดพิเศษเหล่านี้เรียกว่า "ตัวต้านทานแบบติดแชสซี" เนื่องจากได้รับการออกแบบมาให้ติดตั้งบนแผ่นระบายความร้อนหรือแผ่นโลหะเพื่อระบายความร้อนที่เกิดขึ้นได้มากขึ้น การติดตั้งตัวต้านทานบนแผ่นระบายความร้อนจะช่วยเพิ่มความสามารถในการรับกระแสไฟฟ้าได้มากขึ้น
ตัวต้านทานแบบพันลวดอีกประเภทหนึ่งคือ ตัวต้านทานแบบพันลวดแบบมีกำลังไฟฟ้าตัวต้านทานประเภทนี้เป็นตัวต้านทานแบบไม่เหนี่ยวนำที่มีกำลังไฟฟ้าสูง ทนความร้อนสูง โดยทั่วไปจะเคลือบด้วยอีพอกซีเคลือบแก้วหรือแก้วสำหรับใช้ในธนาคารตัวต้านทานหรือการควบคุมมอเตอร์ DC/เซอร์โวและการเบรกแบบไดนามิก นอกจากนี้ยังสามารถใช้เป็นเครื่องทำความร้อนในพื้นที่หรือตู้ที่มีวัตต์ต่ำได้อีกด้วย
ลวดต้านทานแบบไม่เหนี่ยวนำจะพันรอบท่อเซรามิกหรือพอร์ซเลนที่เคลือบด้วยไมก้าเพื่อป้องกันไม่ให้ลวดโลหะผสมเคลื่อนที่เมื่อร้อน ตัวต้านทานแบบพันลวดมีให้เลือกหลายค่าความต้านทานและกำลังไฟฟ้า โดยการใช้งานหลักอย่างหนึ่งของตัวต้านทานแบบพันลวดคือในองค์ประกอบความร้อนไฟฟ้าของเตาไฟฟ้า ซึ่งแปลงกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านให้เป็นความร้อน โดยแต่ละองค์ประกอบจะกระจายพลังงานได้มากถึง 1,000 วัตต์ (1 กิโลวัตต์)
เนื่องจากลวดของตัวต้านทานแบบพันลวดมาตรฐานจะพันเป็นขดลวดภายในตัวต้านทาน จึงทำหน้าที่เหมือนตัวเหนี่ยวนำ ทำให้ตัวต้านทานมีค่าเหนี่ยวนำและความต้านทานด้วย สิ่งนี้ส่งผลต่อการทำงานของตัวต้านทานในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับโดยทำให้เกิดการเลื่อนเฟสที่ความถี่สูง โดยเฉพาะในตัวต้านทานขนาดใหญ่ ความยาวของเส้นทางความต้านทานจริงในตัวต้านทานและสายนำจะทำให้เกิดความเหนี่ยวนำแบบอนุกรมกับความต้านทานไฟฟ้ากระแสตรง "ที่เห็นได้ชัด" ส่งผลให้เส้นทางความต้านทานรวมอยู่ที่ Z โอห์ม
อิมพีแดนซ์ ( Z ) คือผลรวมของความต้านทาน ( R ) และความเหนี่ยวนำ ( X ) ซึ่งวัดเป็นโอห์ม และสำหรับวงจรไฟฟ้ากระแสสลับแบบอนุกรมจะแสดงเป็น Z2 = R2 + X2
เมื่อใช้ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ ค่าเหนี่ยวนำนี้จะเปลี่ยนแปลงตามความถี่ (รีแอคแตนซ์เหนี่ยวนำ XL = 2πƒL ) ดังนั้นค่ารวมของตัวต้านทานจึงเปลี่ยนแปลงไปด้วย รีแอคแตนซ์เหนี่ยวนำจะเพิ่มขึ้นตามความถี่ แต่จะเป็นศูนย์ที่ DC (ความถี่ศูนย์) ดังนั้น ตัวต้านทานแบบพันลวดจะต้องไม่ได้รับการออกแบบหรือใช้ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับหรือวงจรขยายสัญญาณที่ความถี่ของตัวต้านทานเปลี่ยนแปลง อย่างไรก็ตาม ตัวต้านทานแบบพันลวดที่ไม่เหนี่ยวนำแบบพิเศษก็มีจำหน่ายเช่นกัน
ตัวต้านทานแบบพันลวด
ตัวต้านทานชนิดลวดพันจะมี สัญลักษณ์ “WH” หรือ “W” ขึ้นต้น (เช่น WH10Ω ) และมีให้เลือกใช้ใน แพ็คเกจเคลือบอะลูมิเนียม WH (ค่าความคลาดเคลื่อน ±1%, ±2%, ±5% และ ±10%) หรือ แพ็คเกจเคลือบอีนาเมลแบบแก้ว W (ค่าความคลาดเคลื่อน ±1%, ±2% และ ±5%) โดยมีพิกัดกำลังไฟตั้งแต่ 1W ถึง 300W หรือมากกว่านั้น
สรุปแล้ว มีตัวต้านทานหลายประเภทให้เลือกตั้งแต่ตัวต้านทานแบบคาร์บอนราคาถูกที่มีความคลาดเคลื่อนสูงสำหรับใช้งานทั่วไป ไปจนถึงตัวต้านทานแบบฟิล์มความแม่นยำสูงที่มีความคลาดเคลื่อนต่ำ ราคาแพง รวมถึงตัวต้านทานเซรามิกแบบพันลวดกำลังสูง ตัวต้านทานทำหน้าที่ควบคุม ขัดขวาง หรือตั้งค่าการไหลของกระแสไฟฟ้าผ่านเส้นทางใดเส้นทางหนึ่ง หรือสามารถลดแรงดันไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้าได้
ค่าความต้านทานของตัวต้านทาน ความสามารถในการจำกัดการไหลของกระแสไฟฟ้าวัดเป็นโอห์ม ( Ω ) ตั้งแต่ต่ำกว่า 1 โอห์มต่อตัวต้านทานไปจนถึงหลาย ล้าน โอห์ม (เมกะโอห์ม) ตัวต้านทานอาจมีค่าคงที่ เช่น 100 โอห์ม ( 100Ω ) หรือค่าแปรผัน เช่น 0 ถึง 100Ω
ตัวต้านทานจะมีค่าความต้านทานเท่ากันเสมอไม่ว่าความถี่ของแหล่งจ่ายไฟจาก DC ไปยังความถี่สูงมากจะเป็นเท่าใด และตัวต้านทานทั้งหมดมีสิ่งหนึ่งที่เหมือนกัน นั่นก็คือค่าความต้านทานในหน่วยโอห์มในวงจรจะเป็นค่าบวกเสมอ และไม่มีทางเป็นค่าลบได้
การใช้งานและการประยุกต์ใช้ตัวต้านทานภายในวงจรไฟฟ้าหรืออิเล็กทรอนิกส์นั้นมีมากมายและหลากหลาย โดยวงจรอิเล็กทรอนิกส์แทบทุกวงจรที่เคยออกแบบมาโดยใช้ตัวต้านทานหนึ่งประเภทหรือมากกว่านั้น ตัวต้านทานมักใช้เพื่อจุดประสงค์ต่างๆ เช่น การจำกัดกระแส การให้แรงดันไฟฟ้าควบคุมที่เหมาะสมแก่อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ เช่น ทรานซิสเตอร์ไบโพลาร์ การป้องกัน LED หรืออุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ จากความเสียหายจากกระแสเกิน ตลอดจนการปรับหรือจำกัดการตอบสนองความถี่ในวงจรเสียงหรือวงจรกรอง
ในวงจรดิจิทัล ตัวต้านทานหลายประเภทสามารถใช้เพื่อดึงแรงดันไฟฟ้าขึ้นหรือลงที่พินอินพุตของชิปลอจิกดิจิทัล หรือโดยการควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่จุดหนึ่งในวงจรโดยการวางตัวต้านทานสองตัวเข้าด้วยกันแบบอนุกรมเพื่อสร้างเครือข่ายตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า รายการนี้ไม่มีที่สิ้นสุด!
ในบทช่วยสอนถัดไปเกี่ยวกับ ตัวต้านทานเราจะดูวิธีการต่างๆ ในการระบุค่าความต้านทานของตัวต้านทานแบบคงที่ประเภทต่างๆ โดยวิธีการระบุที่พบมากที่สุดคือการใช้ รหัสสี และแถบสีรอบตัวต้านทาน