Mire használható az ellenállás? Ohm-törvény, teljesítmény, terhelt feszültségosztó és hőmérsékleti függés, ellenőrizhető számpéldákkal.
Az ellenállások az elektronikai áramkörökben áramkorlátozásra, feszültségosztásra, hő előállítására, valamint időzítő- és szűrőhálózatok részeként használhatók. Az „ellenállás” egyszerre neve egy fizikai mennyiségnek és egy alkatrésztípusnak. Egy alkatrész kiválasztásakor az ohmban megadott értékén túl a tűrését, terhelhetőségét és üzemi körülményeit is figyelembe kell venni.
Az ellenállások funkciója
Az ellenálláson áram folyhat, és a két kivezetése között feszültségkülönbség alakul ki. A feszültség nem „fogy el” és nem alakul hővé: a villamos energia alakul át hőenergiává. A feszültségesés és az energiaátalakulás összefügg, de külön fogalmak.
- Áramkorlátozás: egyszerű áramkörben egy megfelelően méretezett soros ellenállás korlátozhatja például egy LED áramát. Az eredmény a táplálástól és a LED áram–feszültség karakterisztikájától is függ.
- Feszültségosztás: két soros ellenállás csatlakozási pontjáról a bemeneti feszültség egy része vehető le. A kimenetre kapcsolt terhelés azonban megváltoztatja az osztási arányt.
- Hő előállítása: fűtőelemnél ez a kívánt működés. Más áramköri ellenállásnál a keletkező hő elvezetése korlátozhatja a terhelhetőséget.
- Időzítés és szűrés: az ellenállás kondenzátorral vagy tekerccsel együtt alakíthatja a jelek időbeli és frekvenciafüggő viselkedését.
Ohm törvénye
Ohmos viselkedésű alkatrésznél, lényegében változatlan fizikai feltételek mellett:
U = I × R
- U: az alkatrészen eső feszültség, volt (V);
- I: a rajta folyó áram, amper (A);
- R: az ellenállás, ohm (Ω).
Adott feszültség mellett nagyobb ellenálláson kisebb áram folyik. Ez nem jelent állandó ellenállású modellt minden alkatrészre: egy LED vagy más dióda viselkedését nem írja le a teljes tartományban egyetlen rögzített R érték.
Teljesítmény és hőenergia
Egyenáramú, állandósult esetben az ellenálláson átalakuló teljesítmény P = U × I. Ohm törvényével ebből P = I2 × R és P = U2 / R adódik. A teljesítmény egysége watt; a hőenergia az idővel is arányos. Állandó teljesítménynél E = P × t.
Saját példánkban egy ideális, 1 kΩ-os ellenállásra 5 V egyenfeszültség jut. Az áram 5 mA, a teljesítmény 0,025 W. Egy perc alatt az átalakított energia 1,5 J. Ha ugyanazon 5 V mellett 2 kΩ-ra nő az ellenállás, a teljesítmény 0,0125 W-ra csökken. Ha viszont az áram marad rögzített, az ellenállás növelése nagyobb I²R veszteséget eredményez. Mindig számít, melyik mennyiséget tartjuk állandónak.
Miért változik a feszültségosztó kimenete?
Két ellenállásnál, terheletlen kimenettel: Uki = Ube × R2 / (R1 + R2). Itt R2 a kimeneti pont és a referencia közötti ellenállás. A következő példa ideális alkatrészekkel végzett számítás.
Ha Ube = 6 V, R1 = R2 = 10 kΩ, a terheletlen kimenet 3 V. Ha a kimenetre egy további 10 kΩ-os terhelés kerül, az R2-vel párhuzamos eredő 5 kΩ lesz. A kimenet így 6 × 5 / (10 + 5) = 2 V. Az ellenállásos osztó ezért nem általános helyettesítője egy stabilizált tápegységnek.
Hőmérsékleti függés
Adott hőmérséklet-tartományban használható lineáris közelítés:
R ≈ R0 × [1 + α × (T − T0)]
R0 a T0 referencia-hőmérsékleten megadott érték, α a hőmérsékleti együttható. Az együttható nem minden anyagnál pozitív, és nem feltétlenül állandó tetszőlegesen széles tartományban. Az adatlapon megadott hőmérsékleti karakterisztikát kell használni. Az 1/°C és a ppm/°C eltérő skála: 1 ppm/°C = 10−6/°C.
Gyakorlati alkalmazások
- LED-meghajtás: az áram korlátozása a nemlineáris karakterisztika miatt szükséges. Nagyobb teljesítményű LED-rendszernél külön áramgenerátoros meghajtó is használható.
- Fűtés és motorvezérlés: ellenállás lehet terhelő-, fűtő- vagy fékezőelem. Egy modern motor- vagy fűtésszabályozó teljes működése azonban nem feltétlenül soros ellenállásos szabályozás.
- RC-időzítés: az egyszerű RC-kör időállandója τ = R × C, tehát mindkét alkatrész értékétől függ.
- Frekvenciaszűrés: az R, L és C értéke, a kapcsolás, valamint a forrás és a terhelés együtt határozza meg a viselkedést.
Az ellenállás kiválasztása és jelölése
Fémréteges, szénréteges és huzalellenállásokkal is találkozhatsz; a kis alkatrész nem feltétlenül azonos tulajdonságú egy ugyanakkora ohmértékű nagyobb típussal. A felirat vagy színkód az érték és a tűrés azonosítását segítheti, a további határértékeket az adatlapból kell kikeresni.
Ha a táblázat nem fér ki, oldalra görgethető. Billentyűzettel a bal és jobb nyilat használd.
| Adat | Mit ellenőrizz? |
|---|---|
| Névleges ellenállás és tűrés | A kívánt ohmértéket és az elfogadható eltérést. |
| Teljesítményterhelhetőség | A környezeti hőmérséklethez és szerelési feltételekhez tartozó megengedett értéket. |
| Hőmérsékleti együttható | A változás irányát, mértékét és az érvényességi tartományt. |
| Megengedett feszültség és impulzusterhelés | Azt, hogy a wattérték teljesítése mellett a többi határérték is betartható-e. |
A példában kiszámított 0,025 W önmagában még nem teljes alkatrészkiválasztás. Ugyanígy egy 0,25 W-os jelölés sem azt jelenti, hogy az ellenállás minden környezetben és minden impulzus mellett ennyivel terhelhető. A gyártó terheléscsökkentési görbéje megmutatja a hőmérséklet hatását.
Források
- MIT OpenCourseWare: Introduction to Electronics – terhelés és feszültségosztó
- Vishay: ellenállások jellemzői, hőmérsékleti együttható és terhelhetőség
- Vishay: ellenállások impulzusterhelési és kiválasztási kérdései
Ez a cikk ismeretterjesztő céllal készült. A helyszíni adottságok eltérhetnek, ezért szerelés vagy átalakítás előtt kérj megfelelő szakembertől ellenőrzést.