پیشگفتار:
انواع بسیاری مقاومت در بازار وجود دارند که به شکلهای مختلفی دستهبندی میشوند. مقاومتهای فیلم (film resistors) دستهای بسیار پرکاربرد هستند و با توجه به مواد مورد استفاده و نحوه ساخت انواع مختلفی دارند. در مقاله "تفاوت بین مقاومت فیلم کربنی و مقاومت فیلم فلزی" به بررسی دو نوع مقاومت فیلم معروف پرداختیم و در آنجا توضیح داده شد که وقتی مقاومت از لایهای نازک از مواد مقاومتی ساخته شود به آن مقاومت فیلم میگویند.
مقاومت فیلم اکسید فلزی نوع دیگری از مقاومتهای فیلم است که در این مقاله به ویژگیها و تفاوت این نوع با دو نوع قبلی خواهیم پرداخت. آنچه در ابتدا نیاز داریم، دانستن این مطلب است که چرا و چطور از اکسید فلز در این نوع مقاومت استفاده میشود، پس با ما همراه باشید.
اکسید چیست؟ در ساخت مقاومت چه فایدهای دارد؟
اکسید ترکیبی شیمیایی شامل یک یا چند اتم اکسیژن و یک یا چند اتم عنصری دیگر است. اگر این عنصر دیگر فلز باشد طبیعتا یک اکسید فلزی خواهیم داشت! شاید با شنیدن نام اکسید فلز به یاد زنگ زدن آهن بیفتید که اشتباه هم نیست! اکسید یا زنگ آهن هم نوعی اکسید فلز است. اما همیشه اکسید شدن فلزات مثل زنگ آهن، مضر نیست. استفاده از اکسید فلز در ساخت مقاومت میتواند باعث شود ویژگیهای سودمندی به آن اضافه شوند. در ادامه خواهید دید که این نوع مقاومت چگونه ساخته میشود و این ویژگیهای مفید چه هستند.
نحوه ساخت مقاومت فیلم اکسید فلزی
اجازه دهید تا دستور ساخت یک مقاومت فیلم اکسید فلزی را مرور کنیم (به تصویر بالا رجوع نمایید). مانند دیگر مقاومتهای فیلم (همانطور که بهطور کامل در مقاله "تفاوت بین مقاومت فیلم کربنی و مقاومت فیلم فلزی" تشریح شد) ابتدا به یک میله سرامیکی نیاز داریم. در اینجا مادهای که نقش مقاومت را ایفا میکند و باید یک لایه نازک از آن (که از این لایه نازک با عنوان فیلم یاد میشود) روی میله سرامیکی قرار بگیرد، اکسید یک فلز است.
یک لایه نازک از اکسید قلع برای این مرحله مناسب است. برای افزایش مقدار مقاومت از چاشنی اکسید آنتیموان استفاده میشود. استفاده از اکسید این دو ماده، ويژگی مقاومت بهتر در برابر حرارت را به مقاومت فیلم اکسید فلزی ساخته شده اضافه میکند.
حالا به جای اینکه این مواد را با چسب روی میله سرامیکی بچسبانیم (که قطعا چنین فکری نداشتید!)، این مواد را در یک فرآیند رسوب شیمیایی روی میلهی سرامیکی قرار میدهند. رسوب در اینجا یعنی ایجاد لایهای نازک یا ضخیم از مواد روی یک سطح به کمک فرآیندهای شیمیایی کنترل شده.
استفاده از این روش باعث دستیابی به محصولی با کیفیت بالا میشود. سپس مقدار مقاومت نهایی با اعمال برش لیزری تنظیم میشود (پس از این برش لیزری است که فیلم اکسید فلز همانطور که در تصویر بالا دیده میشود به فرم مارپیچ در میآید). بهطور معمول در انتهای این فرآیند، یک مقاومت ثابت فیلم اکسید فلز از نوع پایهدار (through hole) خواهید داشت (این نوع پکیج در بازار متداولتر است اما در ساخت نوع SMD هم از مواد مشابه استفاده میشود). البته این یک دستور پخت آزمایشگاهی است و قطعا نمیتوانید از آن در آشپزخانه استفاده کنید! دو نمونه نهایی از این مقاومتها در تصاویر زیر ارائه شدهاند.
نمونه اول از مقاومتهای فیلم اکسید فلزی
نمونه دوم از مقاومتهای فیلم اکسید فلزی
ویژگیهای مقاومت فیلم اکسید فلزی
اکنون که مقاومت شما آماده شد، زمان آن است که خواص آن را بررسی کنید. بسیاری از خواص مقاومت فیلم اکسید فلزی مشابه مقاومت فیلم فلزی است. اما مقاومتهای فیلم اکسید فلز در برخی موارد مهم، عملکردی فراتر از مقاومتهای فیلم فلزی و فیلم کربنی دارند. این موارد عباتند از: مقدار ولتاژ و توان نامی آنها، نحوه عملکردشان در صورت بروز تغییرات لحظهای در مدار و نحوه عملکردشان در دماهای بالا. طراحان اغلب مقاومت فیلم اکسید فلزی را برای کاربردهایی انتخاب میکنند که به مقاومتی با استقامت بالا نیاز است.
همانطور که متوجه شدید، وقتی در مورد مقاومت اکسید فلز صحبت میکنیم، لازم است نام مقاومت فیلم فلزی و فیلم کربنی نیز آورده شود! بنابراین یک مقایسه در مورد ویژگیهای آنها مطلوب خواهد بود.
مقایسه مقاومت فیلم اکسید فلزی با انواع دیگر
در مورد ویژگیهای برتر مقاومت فیلم اکسید فلزی در حالت کلی صحبت شد، اکنون میخواهیم بهشکلی دقیقتر و با جزئیات بررسی کنیم که چرا مقاومت فیلم اکسید فلزی از دو مقاومت فیلم فلزی و فیلم کربنی بهتر است.
چند پارامتر اصلی در مقاومتها همواره مورد توجه قرار میگیرند. مهمترین پارامترهایی که معمولا در تمام دیتاشیتها به چشم میخورد، مواردی مربوط به ولتاژ، دما و دقت هستند. بنابراین ما هم به سراغ آنها میرویم. این موضوعات چیزهایی هستند که شما هم در هنگام انتخاب مقاومت فیلم اکسید فلزی باید به آنها توجه کنید.
ولتاژ: اولین مرحله رقابت مقاومتها
مقدار ولتاژی را که میتوان به مقاومت اعمال نمود، همواره از اهمیت برخوردار است. اصطلاح ولتاژ نامی اشاره دارد به حداکثر مقدار ولتاژی که میتوان بهطور مداوم در دمای محیط به یک مقاومت مشخص اعمال کرد. حال اگر برای مثال در محدوده کاری ولتاژهای متوسط (کمتر از چند کیلوولت) دنبال مقاومت بگردید، ممکن است مقاومت فیلم اکسید فلزیای در بازار پیدا کنید که ولتاژ نامی 1000 ولت را تحمل کند اما برای مقاومتهای فیلم فلزی و فیلم کربنی این عدد احتمالا کمتر از 600 ولت خواهد بود. طبیعتا در مورد توان نامی هم این موضوع صدق میکند.
از طرف دیگر اگر اتفاقی و لحظهای ولتاژ و جریان زیاد شوند چطور؟ قطعا محدودههای مجاز در دیتاشیت نوشته شده و اگر ولتاژی بیش از آن استفاده کنید، باید با مقاومت خود خداحافظی کنید. این خداحافظی در مقاومت فیلم اکسید فلزی دیرتر اتفاق میافتد!
تحمل مقاومت فیلم اکسید فلزی در مواجهه با تغییرات لحظهای و گذرای ولتاژ و جریان بیشتر از دو نوع مقاومت دیگر است. برای مثل واکنش بهتری نسبت به جریان هجومی (inrush current) دارد (جریان بسیار زیادی که هنگام روشن شدن منبع تغذیه وارد مدار میشود) و همینطور نسبت به اضافه بار (اعمال ولتاژی بیشتر از ولتاژ نامی که ممکن است لحظهای باشد و نه دایمی).
البته همیشه از مقاومتها انتظار نداشته باشید با تغییراتی که در ولتاژ اتفاق میافتد مطابق قانون اهم رفتار کنند! یعنی تغییر ولتاژ، تغییر جریان ایجاد کند و مقدار مقاومت ثابت بماند. در واقعیت مثلا وقتی ولتاژ را کم یا زیاد میکنید (حتی در محدوده مجاز) ممکن است تغییر کمی در مقدار اهمی مقاومت ایجاد شود.
مثلا روی مقاومت نوشته شده 100 اهم، اما با تغییر ولتاژ، بین 95 تا 105 اهم کار کند. مقدار این تغییر با پارامتر ضریب ولتاژ مقاومت (VCR: Voltage Coefficient of Resistance) مشخص میشود. این مقدار معمولا با درصد بیان میگردد. مقاومتهای فیلم اکسید فلزی و فیلم فلزی کمتر در معرض تغییر مقدار ناشی از تغییر ولتاژ هستند و ضریب ولتاژ مقاومت کمتری نسبت به همتای فیلم کربنی خود دارند.
دما: کدام مقاومت زودتر جوش میآورد؟
میدانیم که تغییر دما در میزان مقاومت در برابر عبور جریان الکتریکی تاثیرگذار است. ضریب دمای مقاومت (TCR: Temperature Coefficient of Resistance) که در دیتاشیتها ذکر میشود، نشان میدهد با تغییر دما چه مقدار از مقاومت قطعه مقاومت تغییر میکند. مثلا 0.01 درصد به مقدار اهمی آن اضافه یا کم میشود. حال ببینیم این سه نوع مقاومت چه تفاوتی با هم در این زمینه (ضریب دمای مقاومت) دارند.
یک درجه سلسیوس تغییر دما میتواند تغییر زیادی در مقاومت فیلم کربنی ایجاد کند اما در مقاومت فیلم اکسید فلزی مقدار تغییر کمتر است. بنابراین اگر دما تغییر کرد میتوانید کمتر نگران مقاومت فیلم اکسید فلزی خود باشید. در این زمینه مقاومت فیلم فلزی پیشرو است زیرا تغییر در مقدار مقاومت آن نسبت به دو نوع دیگر کمتر است.
اما نکته دیگری نیز وجود دارد که باید به آن توجه کنید. ممکن است مقاومت فیلم فلزی در صورت افزایش دما زودتر از مقاومت فیلم اکسید فلزی بسوزد! زیرا مقاومت فیلم اکسید فلزی نسبت به همتای فیلم کربنی و فلزی خود قابلیت تحمل دماهای بالاتری را دارد. حداکثر دمای عملیاتی در مقاومت فیلم اکسید فلزی تا 450، در فیلم فلزی تا 300 و در فیلم کربنی تا 200 درجه سلسیوس است.
یعنی مقاومت فیلم اکسید فلزی، فارغ از ایجاد تغییر در مقدار آن، میتواند در صورت افزایش دمای محیط نسوزد و همچنان کار کند. اما دقت کنید که در اکثر دیتاشیتها یک بازه دمای پیشنهادی با نام محدوده دمای عملیاتی نوشته شده که باید همواره به آن توجه داشت.
تلرانس، نویز و فرکانس: کدام مقاومت دقیقتر است؟
اگر یک مقاومت دقیق میخواهید مقاومت فیلم اکسید فلزی انتخاب مناسبی است. در بخشهای قبل در مورد تغییر مقدار مقاومت صحبت شد اما در حالت عادی و بدون در نظر گرفتن تغییر ولتاژ و دما در مدار، ممکن است مقدار ایدهآل مقاومت (مقداری که از فروشنده انتظار دارید یا مقداری که روی مقاومت نوشته شده) با مقدار واقعی در عمل متفاوت باشد.
این تفاوت اندک تلرانس (tolerance) نامیده میشود و هرچه برش لیزری مقاومت دقیقتر و کنترل کیفیت هنگام ساخت بیشتر باشد، تلرانس کمتر خواهد بود. (البته تلرانس کمتر ممکن است قیمت بالاتری را به همراه داشته باشد). پیدا کردن مقاومت فیلم اکسید فلزی با تلرانس کمتر از 1 درصد راحتتر از مقاومت فیلم کربنی است. البته مقاومت فیلم فلزی با تلرانس پایینتر نیز وجود دارد اما توجه به قیمت را فراموش نکنید!
اگر به دنبال مقاومتی دقیق هستید باید به نویز مقاومت نیز توجه کنید. اگر به مقاومت ولتاژی معین اعمال کردید نباید انتظار داشته باشید ولتاژ دو سر مقاومت هیچگونه نوسانی نداشته باشد. این نوسان بهدلیل نویز اتفاق میافتد که ویژگی ذاتی مقاومت است و در مدارهایی دقیق مثل کاربردهای پزشکی و ابزار دقیق ممکن است مهم باشد.
مقاومتهای فیلم اکسید فلزی سطح نویز بسیار کمی دارند و بهتر از مقاومت فیلم کربنی هستند اما در اینجا نیز مقاومت فیلم فلزی عملکرد بهتری دارد. در کاربردهای فرکانس بالا نیز مقاومتی دقیق لازم است و معمولا از مقاومت فیلم اکسید فلزی و یا فیلم فلزی استفاده میشود. البته سطح نویز و مناسب بودن برای فرکانس یا ولتاژ خاص معمولا در دیتاشیت قطعه ارائه میگردند.
پسگفتار
با پیشرفت علم و فناوری، هر روز بازار لوازم الکترونیک پیشرفتهتر و شلوغتر میشود. آنقدر که اگر یک محصول مد نظر باشد، شاید هزاران مدل از آن در فروشگاهها بوده و ساعتها وقت برای بررسی بگیرد. مقاومتها هم آنقدر متنوع هستند که قبل از خرید و انتخاب آن برای مدار الکترونیکی باید شناخت دقیق و کافی از مدار خود، کاربرد آن و مقاومت مورد نظر داشته باشید. گاهی مقاومتهایی که به یک دسته خاص مثلا مقاومت فیلم تعلق دارند، ويژگیهای مشابهی دارند که دقت بیشتری لازم است.
پایداری یک مقاومت در تحمل شرایط خاص مثل ولتاژ و دمای خیلی کم یا زیاد تعریف میشود. مقاومت فیلم اکسید فلزی یک مقاومت با پایداری بالاست و ویژگیهای بسیار خوبی دارد، اما انتخاب اینکه کدام مقاومت فیلم بهتر است و در رقابت پیروز میشود، یک مصالحه بین ویژگیهای مختلف بوده و به کاربرد و مدار مورد استفاده بستگی دارد.
در این مقاله بهطور مفصل به ویژگیهای مهم مقاومت فیلم اکسید فلزی پرداخته شد و برای شناخت بهتر و راهنمایی شما برای انتخاب مقاومت مناسب برای مدارتان، مقایسه بین این مقاومت و انواع مشابه آن انجام پذیرفت.
