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Elettronica di base: Resistori

Elettronica di base: Resistori

I resistori sono i componenti elettronici passivi più usati. Anche se sono i componenti più comuni ed economici, non sono abbastanza conosciuti per le loro caratteristiche e per il loro ruolo nel campo dell'elettronica.

Elettronica di base: Resistori

I resistori costituiscono un campo veramente vasto, così in questo e negli articoli che verranno scopriremo i loro segreti. Per iniziare vediamo i loro principi base e la loro classificazione tenendo conto dell'utilizzo e della struttura.

Simbolo del resistore

Simbolo del resistore

Supponiamo di avere un fluido che scorra in un tubo. Se la sezione del tubo si riduce o c'è un ostacolo, il fluido scorrerà più lentamente. La velocità diminuirà ogni volta che il fluido incontrerà degli ostacoli sul suo percorso, lo stesso fenomeno accade nei circuiti elettrici. Più alta è la tensione applicata al conduttore, più alta sarà la corrente che lo attraverserà. Ad ogni modo la corrente sarà ridotta dagli ostacoli che si incontreranno. In generale i materiali possiedono la proprietà di presentare una "resistenza" quando sono percorsi da una corrente. Questa è l'origine del termine resistenza in elettronica. Così, in parole povere, un resistore è un componente che offre una certa resistenza al passaggio degli elettroni. E' un conduttore, perchè non si oppone al passaggio degli elettroni, ma in ogni caso non è un ottimo conduttore. Un resistore è definito dal valore della sua resistenza elettrica (espressa in Ohm - Ω) e dalla potenza (espressa in Watt - W) che si può dissipare in condizioni di sicurezza, cioè senza che il corrispondente calore prodotto possa produrne il deterioramento. La resistenza di un conduttore aumenta se aumenta la sua lunghezza, ma diminuisce se la sua sezione aumenta e dipende, inoltre, dal materiale del conduttore. Una resistenza provoca sempre una perdita di energia che generalmente si trasforma in calore : questa trasformazione è conosciuta come effetto Joule.

Un resistore obbedisce alla legge di Ohm:

V = R x I

dove V è la tensione elettrica espressa in volt (V), R è la resistenza elettrica espressa in Ohm (Ω), I è la corrente elettrica espressa in ampere (A). Così la potenza dissipata è uguale a:

P = V x I = R x I²

come conseguenza della legge di Ohm.

Altri parametri caratteristici dei resistori sono:

  • Resistenza nominale: è il valore che il produttore da ad un resistore ben definito alla temperatura di 25°C.
  • Tolleranza: è la massima deviazione del valore resistivo reale da quello nominale. Generalmente si esprime in percentuale.
  • Potenza nominale : è la massima potenza, espressa in watt, che il resistore può dissipare in un ambiente ad una temperatura inferiore a 75°C. Nel grafico sottostante possiamo vedere la curva di deriva (derating) di un resistore, chiamata anche diagramma potenza/temperatura.
  • Potenza dissipabile ( % nom. )

    Temperature - graph courtesy of  Itis Omar
    Temperatura - grafico concesso da Itis Omar

  • Tensione limite: è la massima tensione consigliata.
  • Resistenza critica: è la massima resistenza che si può utilizzare, a piena potenza, senza superare la tensione limite.
  • Stabilità: è la deriva della resistenza dovuta all'invecchiamento, misurata, per esempio, dopo 1000 ore di lavoro a piena potenza e a 70 °C.
  • Coefficiente di temperatura: è la variazione della resistenza a causa della temperatura e si esprime in ppm/°C.
  • Massima tensione di lavoro: è la massima tensione che si può applicare a un transistor in corrente continua. Non dipende solo dalla potenza dissipata dal resistore, ma anche dalla rigidità dielettrica del materiale utilizzato.
  • Rumore: indica le fluttuazioni che si verificano ai capi di un resistore per l'effetto Johnson. Questo fenomeno è causato dal movimento caotico degli elettroni in seguito alla agitazione termica.
  • Parametri ad alta frequenza: alle alte frequenze bisogna considerare gli effetti parassiti. Il circuito equivalente prevede una induttanza in serie alla resistenza e una capacità in parallelo alla serie RL.
  •  Resistore reale con elementi parassiti
    Resistore reale con elementi parassiti

I valori delle impedenze parassite dipendono dalla tecnica costruttiva. Generalmente è l'induttanza parassita a creare problemi alle alte frequenze. Alle basse frequenze la capacità e l'induttanza possono essere trascurate perchè C si comporta come un circuito aperto (resistenza molto alta) e L si comporta come un corto circuito (L è praticamente uguale a zero). Se si aumenta la frequenza, R diminuisce a causa di C e aumenta a causa di L fino a quando la coppia LC entra in risonanza alla frequenza:

Aumentando ulteriormente la frequenza, L diventa molto più grande di R (l'impedenza RL aumenta) mentre C tende a cortocircuitare il segnale. Come si evince dalla spiegazione appena data la resistenza si può usare per frequenze inferiori alla frequenza di risonanza del gruppo LC.

Classificazione dei Resistori in base all'utilizzo

I resistori si possono classificare, in base al campo in cui vengono utilizzati, nelle seguenti categorie:

  • Resistori di potenza: possono assorbire potenza a partire da circa 5W fino a diversi KW e vengono raffreddati o in maniera naturale o ad aria forzata o ad acqua. I più piccoli, fino a diverse centinaia di watt, vengono usati sia nei circuiti di potenza, sia in elettronica.
  • Resistori per strumenti di misura: i resistori, usati come derivatori, vengono impiegati per il collegamento degli amperometri per corrente continua. Questi resistori ad alta precisione, con 4 terminali, sono generalmente progettati per avere una caduta di tensione di 60 mV quando vengono attraversati dalla corrente nominale. Per aumentare la portata dei voltmetri e dei wattmetri, sia in corrente continua che alternata, si usano resistori con alta precisione e stabilità.
  • Resistori per circuiti elettronici: Questi resistori vengono realizzati principalmente per i circuiti elettronici. Hanno dimensioni piccole e piccola potenza. Vengono usati spesso in circuiti selettivi con tensioni che possono raggiungere alcune centinaia di volt, ma con correnti che raramente superano i 100 mA.

Classificazione resistori in base alla struttura

I resistori si possono classificare anche in base alla loro struttura e resistenza, fissa o variabile.

Resistori a resistenza fissa
I resistori a resistenza fissa vengono largamente usati, i loro valori vengono determinati durante la fase di progettazione del circuito. Qui di seguito descriviamo i principali resistori a resistenza fissa.

  • Resistori campione: Bisogna essere estremamente precisi durante la loro costruzione perchè vengono usati come riferimento nella misura delle resistenze. Presentano la massima stabilità nel tempo e per le variazioni di temperatura.
  • Resistori al carbonio: Un tempo erano largamente usati, ma oggi non più. Sono costituiti da barre solide di materiale composito conduttivo. La miscela di carbonio può essere variata secondo la resistività che si vuole ottenere. Quando la temperatura aumenta, per il rilascio delle particelle di carbonio, la resistenza diminuisce. Quando la temperatura diminuisce si ha la situazione opposta (la resistenza aumenta per la compressione delle particelle di carbonio). Hanno un coefficiente di tensione, una classificazione dovuta alla tensione (voltage rating) e, per il modo in cui vengono costruiti, generano rumore.
  • Resistori al carbonio (CCR: Carbon Composition Resistors)
    Resistori al carbonio (CCR: Carbon Composition Resistors)
  • Resistori a film di carbonio: Sono simili ai CCR. Questi resistori sono costituiti da barre con un rivestimento ceramico e da una miscela di materiali di carbonio. Il loro TCR (Trickle Charge Resistor) è di circa 100 ÷ 200 ppm ed è generalmente negativo. La loro risposta in frequenza è nettamente migliore di quella dei CCR, ma non così buona come quella dei resistori a filo avvolto (wirewound).
  • Resistore a film di carbonio
    Resistore a film di carbonio
  • Resistori a film di metallo: Si costruiscono tramite un processo di evaporazione/deposizione e sono un ottimo compromesso tra tutti i resistori esistenti. Hanno una accuratezza molto buona, un coefficiente di temperatura più basso di quelli a strato di carbonio, non hanno un coefficiente di tensione, hanno un rumore basso se costruiti opportunamente, un TCR di circa 50 ÷ 100 ppm e una caratteristica di frequenza molto buona.
  • Resistori a film di metallo
    Resistori a film di metallo
  • Resistori di precisione a filo avvolto (wirewound): Sono costituiti da un filo metallico ad alta resistenza che viene generalmente avvolto attorno a un tubo di ceramica e connesso agli elettrodi ad ogni terminale. Per l'alto costo vengono generalmente impiegati nelle applicazioni ad alta precisione in corrente e sono progettati per avere la massima accuratezza, non per trasportare potenza. Inoltre hanno un'ottima stabilità e affidabilità.
  • Resistore di precisione a filo avvolto (wirewound)
    Resistore di precisione a filo avvolto (wirewound)
  • Resistori di potenza a filo avvolto (wirewound): Si utilizzano quando bisogna gestire grandi potenze. Alcuni di questi resistori sono senza fili, come i radianti, ma, in questo caso, è necessario utilizzare delle forme di raffreddamento per gestire quantità di potenza apprezzabili. Altri resistori di potenza a filo avvolto vengono progettati per essere montati su dei contenitori metallici o su uno chassis per migliorare la trasmissione del calore. Per questo motivo vengono chiamati "Chassis Mounted Resistors"
  • Chassis Mounted Resistors
    Chassis Mounted Resistors
  • Resistori fusibili: Sono sia resistori che fusibili. Se si ha un forte sbalzo di corrente si "aprono" come i fusibili. La corrente del fusibile viene calcolata tenendo conto dell'energia necessaria per fondere il materiale resistivo.
  • Resistore fusibile
    Resistore fusibile
  • Resistori a lamina di metallo: Sono molto simili a quelli a film di metallo, ma sono più stabili e hanno un TCR più basso. Inoltre hanno un'ottima risposta in frequenza.
  • Resistore a lamina di metallo
    Resistore a lamina di metallo

Resistori con resistenza variabile

Sono formati da una pista resistiva con dei terminali ad entrambe le estremità ed un cursore che si muove lungo la pista quando si gira il perno. Si dividono principalmente in reostati e potenziometri, ma ci sono anche i termistori e i varistori.

Resistori con resistenza variabile
  • Reostati: Sono costituiti da due collegamenti, il cursore ed un terminale della pista resistiva. Questo dispositivo consente di variare la resistenza, che c'è tra il reostato e i terminali di ingresso/uscita, in maniera continua oppure a scatti. In giro esistono per lo più reostati a variazione continua o discontinua.
  • Potenziometri: Questi dispositivi hanno tre collegamenti, i due terminali ed il cursore. Il cursore può essere un contatto strisciante o una spazzola che permette di regolare la resistenza tra il cursore stesso e ciascun terminale. I potenziometri vengono individuati dandone la resistenza totale, le perdite ammissibili in watt e la legge di variazione della resistenza. Un potenziometro può essere anche a variazione continua o discontinua.
  • Termistori: Questi dispositivi vengono utilizzati per misure di temperatura e, per questo motivo, viene sfruttata la loro variazione di resistenza con la temperatura. Pertanto sono simili alle termoresistenze, ma, mentre i termistori sono composti da materiali semiconduttori, le termoresistenze sono composte da materiali conduttori metallici. La proprietà di un conduttore è quella di aumentare la resistenza se la temperatura aumenta, quella di un semiconduttore è opposta.
  • Varistori: Questi dispositivi elettronici devono proteggere gli altri dispositivi elettronici da fenomeni transitori di sovraccarico di tensione. Il loro funzionamento è simile a quello di un resistore non lineare che, una volta superata la tensione caratteristica stabilita in fase di progetto, diminuisce bruscamente la sua resistenza attenuando così il disturbo in maniera considerevole.

Altri tipi di resistori

  • Resistori a film spesso: Questi resistori hanno una potenza compresa nel range 15÷200W. Non sono resistenze induttive e sono ideali per le alte frequenze. Le resistenze sono nel range 0,001Ω a 10 KΩ , con una tolleranza tra ±1 e 5%.
  • Resistore a film spesso
    Resistore a film spesso
  • Resistori SMD: Gli SMD (Surface mounting device) sono resistori di dimensioni piccolissime, con film spesso, nei formati industriali standard 0603 - 0805 - 1206. Il processo di collegamento di tre strati, con barriere di nickel, impedisce la dissoluzione e assicura un ottimo processo di saldatura.
  • Resistore SMD
    Resistore SMD
  • Resistori dedicati (Custom): Se per una particolare applicazione è necessario un resistore con dimensione, valore e precisione ben definite, il produttore stesso può crearlo dandogli un codice. Questo è un resistore dedicato (custom), perchè non trova in nessun negozio di elettronica.
  • Resistore magnetico: In questo resistore la resistenza si può controllare tramite un campo magnetico. Può avere sottostrati composti da materiali ferrosi e/o plastica. I sottostrati ferrosi sono in materiale ferromagnetico che ha una grande permeabilità. I sottostrati in plastica sono in antimoniuro di indio. La resistenza dipende sia dalla dimensione che dalla costruzione e può variare da pochi Ω fino a diversi KΩ.

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Repost: 15 Dic 2008

 

 

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ritratto di NIck_BG

colori delle resistenze

Sono in circolazione anche delle comode guide(io ad esempio ne possiedo una tascabile) che forniscono i colori delle varie resistenze.
Le ho trovate molto utili specialmente quando stai montando un circuito e devi stare delle ore per trovare i resistori necessari...

 

 

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