Η αντίσταση

Ένα βασικό στοιχείο κυκλώματος είναι η “αντίσταση”. Αυτό είναι το στοιχείο κυκλώματος για το οποίο η τάση στα άκρα του V και το ρεύμα I που το διαρρέει συνδέονται με γραμμική σχέση. Συγκεκριμένα στις “αντιστάσεις” ισχύει η σχέση V = I ·R, όπου R σταθερά. Διαφορετικά μπορούμε να πούμε ότι ο λόγος της τάσης V στα άκρα της αντίστασης προς το ρεύμα που την διαρρέει είναι σταθερός και ίσος με την τιμή της αντίστασης. Δηλαδή R=V/I.

Τα φυσικά εξαρτήματα που ικανοποιούν τη γραμμική σχέση: V=I ·R λέγεται ότι ικανοποιούν το νόμο του Ohm.

Οι μεταλλικοί αγωγοί είναι αντιστάσεις στις οποίες ισχύει ο νόμος του Ohm. Συγκεκριμένα η αντίσταση ενός μεταλλικού αγωγού, διατομής S και μήκους L, δίνεται από τον τύπο: R = ρ ·L/S , όπου ρ μια σταθερά που ονομάζεται ειδική αντίσταση και εξαρτάται από την φύση του υλικού του αγωγού.

Καθώς τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται μέσα στον αγωγό συγκρούονται με τα κατιόντα του πλέγματος με αποτέλεσμα την εμφάνιση θερμότητας στον αγωγό. Έτσι μέσα στην αντίσταση το ηλεκτρικό ρεύμα συναντά δυσκολία στην κίνηση του που είναι ανάλογη με την τιμή της αντίστασης.

Επειδή η αντίσταση είναι ένα παθητικό εξάρτημα, που καταναλώνει ηλεκτρική ενέργεια μετατρέποντας την σε θερμική, η κατεύθηνση του ρεύματος σ’ αυτήν είναι από το θετικό άκρο της προς το αρνητικό.

Μονάδα μέτρησης της αντίστασης είναι το 1Ω και είναι η αντίσταση ενός αγωγού στον οποίο όταν εφαρμόζεται τάση 1V στα άκρα του διαρρέεται από ρεύμα 1Α. Εκτός από τη μονάδα Ohm, χρησιμοποιούνται συνήθως και τα πολλαπλάσια της: 1 Kiloohm (KΩ) = 103Ω και 1Megohm (ΜΩ) = 106Ω

Χαρακτηριστικά μεγέθη αντιστάσεων

Κάθε αντίσταση χαρακτηρίζεται από μεγέθη όπως παρουσιάζονται παρακάτω:

Ονομαστική τιμή αντίστασης. Είναι η τιμή της αντίστασης, που δίνει ο κατασκευαστής σε Ωμ. Σήμερα οι τιμές των αντιστάσεων είναι τυποποιημένες με τις σειρές Ε. Διακρίνουμε ανάλογα με την επιτρεπόμενη ανοχή των αντιστάσεων τις σειρές Ε12, Ε24, Ε48, Ε96 οι οποίες έχουν αντίστοιχες ανοχές 10%, 5%, 2%, 1%.

Ονομαστική ισχύς. Είναι η ισχύς που μπορεί να αναπτύξει η αντίσταση με τη μορφή θερμότητας, σε κανονική θερμοκρασία περιβάλλοντος και κανονική πίεση. Σ’ αυτές τις συνθήκες η θερμοκρασία λειτουργίας της αντίστασης δεν πρέπει να υπερβεί εκείνη που δίνει ο κατασκευαστής.

Ανοχή. Είναι η απόκλιση της τιμής της αντίστασης από την ονομαστική της τιμή. Τούτο αποτελεί στοιχείο που δίνει ο κατασκευαστής. Οι τιμές των ανοχών έχουν τυποποιηθεί παγκόσμια και είναι +-10%, +-5%, +-2%, +-1% και +-0,5%.

Μέγιστη επιτρεπόμενη τάση. Είναι η μέγιστη τάση που μπορεί να εφαρμοστεί στα άκρα μιας αντίστασης χωρίς αυτή να καταστραφεί.

Γραμμικότητα. Οι αντιστάσεις πρέπει να ακολουθούν τον νόμο του Ohm με ακρίβεια για να μην παρατηρούνται παραμορφώσεις των τάσεων ή ρευμάτων στις οποίες λειτουργούν.

Τάση θορύβου. Κατά τη διέλευση του ρεύματος μέσα από ένα αντιστάτη η εκλυόμενη θερμική ενέργεια προκαλεί κυμάνσεις τάσεως που η μέση τιμή τους είναι μηδέν. Το πλάτος των κυμάνσεων αυτών προς την εφαμοζόμενη τάση στα άκρα του αντιστάτη μας δίνει την τιμή του θορύβου σε μV/V.

Σταθερότητα της αντίστασης. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται στη κατασκευή των αντιστάσεων παρουσιάζουν αλλοιώσεις κατα τη διάρκεια της ζωής τους. Οι αντιστάσεις πρέπει να παρουσιάζουν καλή σταθερότητα τιμής με την πάροδο του χρόνου.

Αντιστάσεις σταθερής τιμής

Οι αντιστάσεις ανάλογα με τον τρόπο κατασκευής διακρίνονται σε:

Αντιστάσεις Άνθρακος. Κατασκευάζονται από κόκκους άνθρακα με συνδετικό υλικό, συγκεκριμένα με συνθετικές ρητίνες. Αυτό το υλικό, του άνθρακα και του συνδετικού υλικού θερμένεται και συμπιέζεται. Ταυτόχρονα τοποθετούνται οι ακροδέκτες του εξαρτήματος. Στη συνέχεια τοποθετείται το μονωτικό υλικό για προστασία και αντοχή έτσι παίρνει την τελική της μορφή. Αυτές οι αντιστάσεις έχουν το χαμηλότερο κόστος παραγωγής, αλλά έχουν σοβαρά μειονεκτήματα όπως η μεγάλη ανοχή και ο μεγάλος θόρυβος.

Αντιστάσεις σε φίλμ άνθρακα. Πάνω σ’ ένα κυλινδρικό σώμα από μονωτικό υλικό τοποθετείται ένα λεπτό στρώμα άνθρακα. Αφού τοποθετηθούν οι ακροδέκτες του εξαρτήματος, το στρώμα άνθρακα χαράζεται ελικοειδώς. Έτσι, αυτόν τον τρόπο κατασκευάζεται η αντίσταση με την επιθυμητή τιμή με ακρίβεια. Στη συνέχεια η αντίσταση καλύπτεται από μονωτικό υλικό πάνω στο οποίο αναγράφεται η τιμή της αντίστασης.

Κεραμικές αντιστάσεις. Οι αντιστάσεις αυτές είναι αντιστάσεις που μπορούν να αντέξουν υψηλή ισχύ από 2έως 40Watt. Κατασκευάζονται παρόμοια όπως και οι αντιστάσεις φίλμ. Συγκεκριμένα, πάνω σε μια κυλινδρική βάση από μονωτικό υλικό τοποθετείται ένα στρώμα μείγματος κεραμικού υλικού και μετάλλου. Στη συνέχεια τοποθετούνται οι ακροδέκτες και το στρώμα χαράζεται με ακρίβεια ώστε να δίνει την επιθυμητή τιμή της αντίστασης. Ακολουθεί η τοποθέτηση μονωτικού υλικού εξωτερικά καλύπτοντας την αντίσταση, πάνω στο οποίο αναγράφεται η τιμή και η ανοχή της αντίστασης καθώς και η ισχύς της με γράμματα και αριθμούς.

Αντιστάσεις σύρματος. Οι αντιστάσεις αυτές κατασκευάζονται από σύρμα που τυλίγεται σε κυλινδρική βάση από μονωτικό υλικό, συνήθως κεραμικό ή γυαλί. Το σύρμα της αντίστασης είναι κατασκευασμένο από κράμα νικελίου-χαλκού ή κράμα νικελίου-χρωμίου το οποίο είναι βαμμένο με μονωτικό υλικό για να μην βραχυκυκλώνουν οι σπείρες μεταξύ τους. Στη συνέχεια αυτές οι αντιστάσεις καλύπτονται με μονωτικές ουσίες, κυρίως σμάλτο ή τσιμέντο. Χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα υψηλής ισχύος, όταν έχουμε ρεύματα μεγάλης εντάσεως.

Αντιστάσεις μεταλλικού φίλμ. Αυτές οι αντιστάσεις κατασκευάζονται και ομοιάζουν όπως και οι αντιστάσεις φίλμ άνθρακα. Διαφέρουν στο ότι, αυτός ο τύπος αντιστάσεων χρησιμοποιεί μεταλλικό φιλμ, αντί λεπτού στρώματος άνθρακα πάνω σε πυρήνα μονωτικού υλικού. Το μεταλλικό φίλμ χαράσεται ελικοειδώς ώστε να δημιουργηθεί η αντίσταση με την επιθυμητή τιμή. Σήμερα οι αντιστάσεις μεταλλικού φίλμ χρησιμοποιούνται ευρέως.

Αντιστάσεις SMD. Τα εξαρτήματα επιφανειακής στήριξης SMD ( Surface Mountain Device) δημιουργήθηκαν με την προσπάθεια της τεχνολογίας για την ελάττωση του χώρου που καταλαμβάνει ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα. Οι αντιστάσεις SMD δεν έχουν ακροδέκτες με τη μορφή σύρματος αλλά καταλήγουν σε δύο μεταλλικά άκρα και απαιτούν ειδικές μεθόδους και τεχνικές συγκόλλησης και αποκόλλησης. Επειδή έχουν πολύ μικρές διαστάσεις (μεγέθη 0603 και 0805), δημιουργείται πρόβλημα αναγνώρισης των SMD αντιστάσεων γιατί η μικρή τους επιφάνεια δεν επιτρέπει την αναγραφή πληροφοριών, μόνο στις μεγαλύτερες από αυτές (μέγεθος 1206) αναγράφεται ένας τριψήφιος αριθμός.

Κώδικας χρωμάτων

Η τιμή της αντίστασης σαν πληροφορία, κωδικοποιείται με τρεις, τέσσερις ή πέντε χρωματικούς δακτυλίους γύρω απ’ το σώμα της αντίστασης.

Τρεις χρωματικοί δακτύλιοι. Χρησιμοποιούνται τρεις χρωματικοί δακτύλιοι για αντιστάσεις που έχουν ανοχή +-20%. Οι δυο πρώτοι δακτύλιοι δηλώνουν αριθμούς και ο τρίτος δακτύλιος τον πολλαπλασιαστή ή τον αριθμό των μηδενικών που ακολουθούν τους δυο πρώτους αριθμούς.

Τέσσερις χρωματικοί δακτύλιοι. Χρησιμοποιούνται τέσσερις χρωματικοί δακτύλιοι για αντιστάσεις που έχουν ανοχή +-5% ή +-10%. Οι τρεις πρώτοι δακτύλιοι δηλώνουν ότι ακριβώς και στην προηγούμενη περίπτωση ενώ ο τέταρτος δηλώνει την ανοχή της αντίστασης. Ο τέταρτος δακτύλιος έχει χρώμα χρυσό ή ασημί για ανοχή 5% και 10% αντίστοιχα.

Πέντε χρωματικοί δακτύλιοι. Χρησιμοποιούνται πέντε χρωματικούς δακτυλίους για αντιστάσεις που έχουν πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια τιμής από τις προηγούμενες. Συγκεκριμένα οι τρεις πρώτοι δακτύλιοι δηλώνουν αριθμούς, ο τέταρτος δακτύλιος δηλώνει τον πολλαπλασιαστή και ο πέμπτος δακτύλιος την ανοχή.

Παραδείγματα

Ακολουθούν παραδείγματα αναγνώρισης αντιστάσεων με κώδικα χρωμάτων:

Καφέ, πράσινο, μαύρο, χρυσό >> τιμή 15Ω ανοχή 5%
Πορτοκαλί, πορτοκαλί, χρυσό, χρυσό >> τιμή 3,3Ω ανοχή 5%
Κόκκινο, κόκκινο, πορτοκαλί >> τιμή 22ΚΩ ανοχή 20%
Κόκκινο, μωβ, κίτρινο, χρυσό >> τιμή 270ΚΩ ανοχή 5%
Καφέ, πράσινο, μπλέ, ασημί >> τιμή 15ΜΩ ανοχή 10%
Καφέ, πράσινο, πράσινο, ασημί >> τιμή 1,5ΜΩ ανοχή 10%

Κώδικας Γραμμάτων και αριθμών. Μ’αυτό τον τρόπο, οι πληροφορίες της αντίστασης δίδονται με ένα συνδυασμό γραμμάτων και αριθμών. Ο κώδικας αυτός χρησιμοποιείται συνήθως στις αντιστάσεις σύρματος μεγάλης ισχύος, όπου η μεγάλη επιφάνεια επιτρέπει την γραφή γραμμάτων και αριθμών.

Η ονομαστική τιμή της αντίστασης δίνεται με τη βοήθεια αριθμών και των γραμμάτων R, K, M. Τα γράμματα προηγούνται ή ακολουθούν τους αριθμούς ή βρίσκονται ανάμεσα τους. Η ανοχή της αντίστασης γράφεται με αριθμούς ή με γράμματα, όπως: F=1%, G=2%, J=5%, K=10%, M=20%. Η ισχύς των αντιστάσεων αυτών αναγράφονται με ένα αριθμό που ακολουθείται από το γράμμα W.

2,2ΚΩ F 5W >> τιμή 2,2ΚΩ, ανοχή 1%, ισχύς 5 Watt
33 5% 9W >> τιμή 33Ω, ανοχή 5%, ισχύς 9 Watt
68K 1% >> τιμή 68ΚΩ, ανοχή 1%
5W 15KRJ >> τιμή 15ΚΩ, ανοχή 5%, ισχύς 5W
0,33 10% 7W >> τιμή 0,33Ω, ανοχή 10%, ισχύς 7W

Αντιστάσεις μεταβλητής τιμής

Σε ορισμένα κυκλώματα είναι απαραίτητη μια αντίσταση που η τιμή της να μπορεί να μεταβληθεί με μεταβολή άλλων μεγεθών π.χ. της τάσης, της θερμοκρασίας κλπ. είτε να μεταβάλλεται χειροκίνητα όπως για παράδειγμα στα ποτενσιόμετρα.

Ρυθμιζόμενες μηχανικά αντιστάσεις

Για την κατασκευή ενός τέτοιου εξαρτήματος σε μια κυλινδρική ή κυκλική βάση τοποθετείται ένα στρώμα άνθρακα ή μετάλλου είτε τυλίγεται γύρω από αυτήν σύρμα υψηλής αντίστασης που αποτελεί το υλικό της αντίστασης.

Κατά μήκος του υλικού της αντίστασης και μεταξύ των άκρων της στα οποία έχουν τοποθετηθεί ακροδέκτες, ολισθαίνει ένας αγώγιμος δρομέας, που αποτελεί τον τρίτο ακροδέκτη της μεταβλητής αντίστασης. Ο δρομέας μπορεί να μετακινείται παράλληλα στο υλικό της αντίστασης ή να περιστρέφεται με την βοήθεια ενός άξονα περιστροφής.

Το σύστημα αυτό της μεταβλητής αντίστασης τοποθετούνται μέσα σε μεταλλικό ή πλαστικό περίβλημα από το οποίο εξέρχονται οι ακροδέκτες και ο περιστρεφόμενος άξονας του δρομέα ή μια λαβή μετατόπισης ανάλογα με την κατασκευή.

Στη ηλεκτρονική τεχνολογία αυτές οι αντιστάσεις αυτές είναι γνωστές με την ονομασία ποτενσιόμετρα. Τα ποτενσιόμετρα χωρίζονται σε δυο κύριες κατηγορίες α) τα γραμμικά β)τα λογαριθμικά

Στα γραμμικά ποτενσιόμετρα η τιμή της αντίστασης μεταβάλλεται ανάλογα με τη γωνία περιστροφής ή τη μετατόπιση του δρομέα. Τα γραμμικά ποτενσιόμετρα συμβολίζονται με τα γράμματα Α που χρησιμοποιούν Ευρωπαίοι κατασκευαστές, Β που χρησιμοποιούν Ιάπωνες κατασκευαστές ή ακόμη περιγραφικά σαν LIN και τέλος κατά DIN με τον αριθμό 1.

Στην ακουστική το ανθρώπινο αυτί αντιλαμβάνεται την ένταση του ήχου ή τις μεταβολές του ήχου σαν λογαριθμικές και όχι σαν γραμμικές μεταβολές. Έτσι για τις ανάγκες της ηλεκτροακουστικής για λογαριθμικές μεταβολές οδήγησε στην κατασκευή λογαριθμικών ποτενσιόμετρων.

Στα λογαριθμικά ποτενσιόμετρα το υλικό της αντίστασης δεν τοποθετείται ομοιόμορφα πάνω στην αρχική βάση αλλά με τέτοιο τρόπο ώστε τελικά να έχουμε λογαριθμική μεταβολή της τιμής της αντίστασης. Τα λογαριθμικά ποτενσιόμετρα συμβολίζονται με το γράμμα Β που χρησιμοποιούν Ευρωπαίοι κατασκευαστές, D που χρησιμοποιούν Ιάπωνες κατασκευαστές ή ακόμα περιγραφικά σαν LOG και τέλος κατά DIN με τον αριθμό 4.

Μια ειδική κατηγορία ποτενσιομέτρων είναι τα trimmer. Αυτά είναι ποτενσιόμετρα μικρά σε μέγεθος κατασκευασμένα με όμοιο τρόπο, αλλά χωρίς άξονα περιστροφής, με μια σχισμή, που με την βοήθεια ενός κατσαβιδιού μπορεί να περιστρέφεί ο δρομέας του.

Μη γραμμικές αντιστάσεις

Οι αντιστάσεις που μελετήσαμε μέχρι τώρα ήταν γραμμικές στις οποίες ισχύει ο νόμος του Ohm για σταθερή τιμή του λόγου V/I=R ανεπηρέαστο από εξωτερικές επιδράσεις.

Στις γραμμικές αντιστάσεις, η γραφική παράσταση της σχέσης τάσης V και έντασης του ρεύματος I είναι ευθεία που διέρχεται από την αρχή των αξόνων.

Παρακάτω θα εξετάσουμε μια άλλη κατηγορία αντιστάσεων που η τιμή τους εξαρτάται από την θερμοκρασία, την τάση, την φωτεινή ακτινοβολία και άλλους εξωτερικούς παράγοντες. Η γραφική παράσταση της έντασης του ρεύματος συναρτήσει της εφαρμοζόμενης στα άκρα τους τάσης, δεν είναι πια ευθεία αφού δεν υπακούουν στο νόμο του Ohm.

Θερμίστορ

Τα θερμίστορ (thermistor) είναι αντιστάσεις πολύ ευαίσθητες στις μεταβολές της θερμοκρασίας. Κατασκευάζονται από ημιαγώγιμα υλικά και υπάρχουν σε διάφορα μεγέθη και σχήματα. Τα θερμίστορ χωρίζονται σε δυο κατηγορίες:

α) N.T.C. θερμίστορ: Έχουν αρνητικό θερμικό συντελεστή αντίστασης (Negative Temperature Coefficient) δηλαδή η αντίσταση τους μειώνεται όταν αυξάνεται η θερμοκρασία. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν τα περισσότερα θερμίστορς.

β) P.T.C. θερμίστορ: Έχουν θετικό θερμικό συντελεστή αντίστασης (Positive Temperature Coefficient) δηλαδή η αντίσταση τους αυξάνεται όταν αυξάνεται η θερμοκρασία.

Βαρίστορ (VDR)

Τα βαρίστορ είναι μη γραμμικές αντιστάσεις, που η τιμή τους εξαρτάται από την τάση που εφαρμόζεται στα άκρα τους. Δεν ακολουθούν τον νόμο του Ohm και η χαρακτηριστική τους I=f(V) ακολουθεί τη σχέση: I = KVa όπου Κ : συντελεστής που εξαρτάται από το υλικό κατασκευής και τις προδιαγραφές του βαρίστορ, V: η τάση που εφαρμόζεται στα άκρα του βαρίστορ και α: μη γραμμικός συντελεστής με τιμές μεγαλύτερες από 2 (α>2).

Τα βαρίστορ χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα για αποφυγή ή περιορισμό υπερτάσεων είτε για σταθεροποίηση υψηλών τιμών τάσεως.

Φωτοαντιστάσεις

Οι φωτοαντιστάσεις είναι ειδική κατηγορία μη γραμμικών αντιστάσεων που η τιμή τους μεταβάλλεται με την πρόσπτωση φωτεινής ακτινοβολίας πάνω στην επιφάνεια τους.

Η λειτουργία τους στηρίζεται στο φαινόμενο της μεταβολής της αγωγιμότητας ενός ημιαγωγού με την μεταβολή της προσπίπτουσας φωτεινής ακτινοβολίας.

Τα κυριότερα χαρακτηριστικά μιας φωτοαντίστασης είναι τα εξής: α)Τιμής σκότους που είναι η τιμή της αντίστασης απουσία φωτισμού δηλαδή στο σκοτάδι. β)Τη μέγιστη Rmax και ελάχιστη τιμή Rmin μέσα στα οποίες μεταβάλλεται η αντίσταση με την επίδραση του φωτός. γ)Ο χρόνος που απαιτείται για να σταθεροποιηθεί η αντίσταση από τη στιγμή της αλλαγής του φωτισμού.

Οι φωτοαντιστάσεις χρησιμοποιούνται λόγω της μεγάλης μεταβολής της αντίστασης τους σαν φωτοαισθητήρες, για φωτισμό των οδών, σε κυκλώματα πυρασφαλειας, στις φωτογραφικές μηχανές για αυτόματη ρύθμιση του διαφράγματος ανάλογα με την υπάρχουσα ένταση φωτεινής ακτινοβολίας και σε πάρα πολλά άλλα κυκλώματα αυτοματισμού.

Συμβολισμός αντιστάσεων