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Unità 2 - Resistori

1 Generalità e parametri caratteristici

Un resistore è un componente commerciale costruito per avere un valore noto di resistenza. Ricordiamo che:

  • un conduttore è un corpo che può essere attraversato da corrente
  • la resistenza è il parametro principale dei conduttori e quantifica quanto viene ostacolata la corrente
  • nei conduttori vale la legge di Ohm `V=RI`, che dice che tensione e corrente sono proporzionali
  • la definizione di resistenza è la legge di Ohm scritta così: `R=V/I`
  • nei conduttori il morsetto positivo della corrente è quello dove entra la corrente (il conduttore assorbe energia)

La figura 1 mostra i due simboli utilizzati per i resistori; la figura 2 i versi di corrente e tensione nei resistori.

I parametri più importanti per un resistore sono:

  • il valore nominale della resistenza, cioè il valore dichiarato dal costruttore
  • la tolleranza, cioè la massima differenza tra il valore vero della resistenza e quello nominale, espressa percentualmente
  • la potenza nominale, cioè la massima potenza che il componente è in grado di dissipare senza rompersi

2 Serie commerciali e codice colori

I resistori sono prodotti in serie commerciali indicate con la lettera E seguita da un numero che indica quanti valori sono disponibili in una decade1). I valori disponibili sono standardizzati e “distanziati” tra loro in base a una tolleranza tipica della serie in modo da evitare sovrapposizioni. Ad esempio la serie E6 (tolleranza tipica 20%) contiene i valori:

10, 15, 22, 33, 47, 68

Mentre la serie E12 (tolleranza tipica 10%) i valori:

10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82

Osserviamo che:

  • la distanza tra un valore e l'altro aumenta al crescere del valore (altrimenti, considerato il valore di tolleranza tipico, si avrebbe una sovrapposizione2) )
  • la serie E12 contiene i valori della E6 e li intervalla con altri valori
  • per le serie fino alla E24 i valori sono individuati da due sole cifre cifre, per le serie successive ne servono tre

I valori di resistenza disponibili si ottengono moltiplicando i valori della serie per un moltiplicatore che è una potenza di 10, ad esempio:

0,1  1 10 100 1000 10000

Le serie più utilizzate sono la E6 (più che altro per i condensatori) e la E12 per i resistori (disponibile anche con tolleranza 5%). La tabella 2 elenca i valori delle serie E6, E12 ed E24; la tabella 3 quelli delle serie E48, E96 e E192.

I resistori riportano sul loro contenitore (package) il valore della loro resistenza e tolleranza. Nei resistori a foro passante di piccola potenza, come quelli da mezzo Watt o un quarto di Watt che usiamo in laboratorio, si usa un codice a bande colorate che permette di individuare il valore di resistenza e tolleranza codificando i valori numerici con dei colori. Per i resistori delle serie E6, E12 e E24 sono presenti quattro bande colorate che vanno così interpretate:

  • le prime due bande individuano le due cifre del valore della serie commerciale3)
  • la terza il moltiplicatore, cioè l'esponente della potenza del 10 che moltiplica il valore della serie (o più banalmente il numero di zeri da aggiungere al valore della serie)
  • la quarta banda indica la tolleranza

La tabella 4 mostra la corrispondenza tra colore e valore numerico per le quattro bande4).

3 Potenza e altri parametri dei resistori

Un resistore assorbe potenza elettrica a causa dell'effetto Joule:

`P_a=RI^2`

Questa potenza viene dissipata in calore e determina:

  • un aumento della temperatura interna del componente
  • un scambio di calore se il componente non è alla stessa temperatura dell'ambiente; in particolare il componente cede calore se si trova a un temperatura maggiore di quella dell'ambiente

La potenza dissipata verso l'ambiente (calore scambiato al secondo) si può calcolare come:

`P_d = (T_i - T_a)/R_(th)`

dove Ti è la temperatura interna del componente, Ta quella dell'ambiente e Rth la resistenza termica tra componente e ambiente. Dopo un certo tempo il resistore raggiunge l'equilibrio termico: la sua temperatura smette di aumentare e la potenza assorbita è ceduta all'ambiente (Pa = Pd).

Quando si impiega un resistore occorre verificare che la potenza assorbita (e dissipata) sia minore di quella nominale dichiarata dal costruttore altrimenti la temperatura interna del resistore supera quella massima ammissibile e il componente si danneggia. Quando si fa questa verifica bisogna anche tener conto della temperatura ambiente - maggiore è la temperatura dell'ambiente e minore è la quantità di calore che il resistore può smaltire verso l'esterno - ed eventualmente ridurre la potenza per evitare di danneggiare il componente. A questo scopo i costruttori forniscono delle curve di derating che riportano graficamente la potenza massima dissipabile in funzione della temperatura ambiente (vedi figura 6)5).

La resistenza dipende dalla temperatura perché il valore della resistività ρ del materiale impiegato come elemento resistivo dipende dalla temperatura secondo la relazione:

`rho = rho_0 (1+ alpha Delta T)`

Dove ρ0 è la resistività ad una temperatura di riferimento, α è il coefficiente di temperatura in °C-1 e ΔT la variazione di temperatura rispetto a quella di riferimento. Dal momento che la resistenza di un conduttore dipende direttamente dal valore della resistività vale anche la relazione:

`R = R_0 (1+ alpha Delta T)`

dove R0 è la resistenza ad una temperatura di riferimento. Il coefficiente di temperatura rappresenta la variazione relativa di resistenza per ogni grado di variazione di temperatura ed è spesso espresso in [ppm/°C] (parti-per-milione per ogni grado centigrado)6).

Il valore della resistenza può cambiare nel tempo; se ne tiene conto con la stabilità, un parametro che indica la variazione percentuale della resistenza dopo 1000 ore di funzionamento in condizioni standard.

4 Tecnologie costruttive

Un resisore è formato da:

  • un elemento resistivo
  • un supporto dell'elemento resistivo
  • un rivestimento di protezione
  • dei terminali (o reofori)

L'elemento resistivo viene attraversato da corrente e determina il valore della resistenza. Il materiale di cui è composto dipende dalla tecnologia impiegata per realizzare il componente; quelle principali sono:

  • resistori a impasto
  • resistori a film
  • resistori a filo

Nei resistori a impasto l'elemento resistivo è un agglomerato di carbone, resine e materiali inerti è contenuto in un involucro cilindrico (figura 7). La quantità di carbone (conduttivo) determina il valore della resistenza. Questi resistori sono in disuso perché poco precisi e stabili.

Nei resistori a film (o strato) uno sottile strato di materiale conduttore ricopre un supporto isolante (a seconda della tecnologia impiegata per realizzare lo strato si parla di film sottile o film spesso). Il materiale impiegato dipende dalla tecnologia, alla precisione richiesta e al valore di resistenza richiesto; si usa ad esempio:

  • carbone (i più economici e meno precisi)
  • leghe metalliche
  • cermet, materiali compositi metallici-ceramici conduttori con buone proprietà meccaniche e alta resistenza al calore

Nei resistori a film la resistenza dipende dal tipo di materiale impiegato, dallo spessore dello strato e dal trattamento del film che può essere spiralato per ottenere il valore di resistenza richiesto. Questa operazione consiste nell'incidere il film asportando materiale (con acidi, laser, utensili) diminuendo la sezione e aumentando la lunghezza dell'elemento resistivo (vedi figura 8).

Nei resistori a filo, usati per potenze maggiori o alte precisioni, un filo in lega metallica è avvolto su un supporto isolante (figura 9). In questi resistori, per scongiurare effetti induttivi, si può ricorre ad avvolgimenti detti anti-induttivi (figura 10) dove la stessa corrente, percorrendo in versi opposti il conduttore, produce effetti induttivi trascurabili7).

5 Resistori variabili

I resistori variabili sono componenti a 3 morsetti con un elemento resistivo fisso collegato a due dei morsetti e un contatto mobile (cursore) collegato al terzo8). La figura 12 mostra i due simboli utilizzati per i resistori variabili.

Il parametro che caratterizza un resistore variabile è la resistenza tra i due contatti fissi. Questo valore spesso è indicato con due cifre significative seguite da un moltiplicatore, come per i resistori (ad esempio 502 indica 5kΩ).

Un resistore variabile può essere utilizzato come:

  • reostato, cioè resistenza regolabile tra zero e un valore massimo (figura 13)
  • potenziometro, per regolare una tensione (figura 14)

Osserviamo che:

  • il modo in cui viene montato il componente è importante perché a seconda di come viene collegato la resistenza aumenterà spostando il cursore in una direzione o in quella opposta
  • nell'uso da reostato, anche se non strettamente necessario, è bene collegare anche il secondo contatto fisso per avere continuità (con resistenza massima inserita) in caso di mancato contatto del cursore
  • nell'uso da potenziometro la formula del partitore formato dai due tratti di elemento resistivo compresi tra il contatto mobile e i due fissi vale solo se non è presente un carico in uscita (o se il carico ha una resistenza molto maggiore di quella inserita tra cursore e contatto fisso)

I materiali utilizzati per realizzare i resistori variabili sono più o meno gli stessi utilizzati per i resistori (film metallico, carbone, cermet, ecc.). La legge di variazione della resistenza in genere è lineare ma può essere anche più complicata. Dal punto di vista costruttivo esistono resistori variabili lineari (figura 15a) e rotativi (figura 15b). Se l'elemento resistivo è a filo il valore della resistenza può variare solo a gradino (figura 16a).

I potenziometri possono essere impiegati anche come trasduttori di posizione (ad esempio nei servomotori RC) perché convertono una posizione/angolo in un valore di resistenza/tensione.

I trimmer son rostati/potenziometri usati per regolazioni effettuate raramente, come la taratura di un circuito. In questo caso il cursore viene mosso con un comando a vite (a giro singolo o multigiro per regolazioni più precise) per evitare spostamenti accidentali.

6 Resistori speciali: varistori, fotoresistori, reti resistive

I varistori (VDR) sono componenti a semiconduttore che presentano una resistenza variabile in funzione della tensione tale per cui, superata una certa soglia di tensione, la resistenza si abbassa drasticamente. I varistori sono usati per proteggere i circuiti dalle sovratensioni e vengono inseriti in parallelo all'alimentazione permettendo di scaricare a terra tensioni più elevate di quelle previste nel normale funzionamento.

I fotoresistori sono componenti a semiconduttore la cui resistenza diminuisce all'aumentare dell'intensità di luce che li colpisce. Sono usati come rilevatori di luce o fototrasduttori (ad esempio negli interruttori crepuscolari).

Le reti resistive sono integrati (figura 18) che contengono un gruppo di resistenze uguali e di piccola potenza in un unico componente.

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1)
una decade è un intervallo di valori dove l'estremo superiore è dieci volte quello inferiore (ad esempio 10 e 100)
2)
ad esempio: 10 + 20% = 12 e 15 - 20% = 12
3)
per le serie successive si usano cinque bande e le prime tre individuano il valore della serie commerciale
4)
è indicata anche la corrispondenza tra colore e coefficiente di temperatura che è indicata nei resistori di precisione con una sesta banda
5)
Per facilitare lo scambio di calore - quindi dissipare maggiore potenza verso l'esterno - si può utilizzare un dissipatore, cioè un elemento metallico con un'adeguata superficie che, una volta montato sul contenitore diminuisce la resistenza termica
6)
Per quei resistori il cui valore è influenzato da quello della tensione esiste una relazione simile, con un coefficiente di tensione Kv, che indica la variazione relativa della resistenza per ogni Volt di variazione della tensione
7)
gli effetti capacitivi e induttivi sono presenti in tutti i resistori ma diventano non trascurabili sono in alta frequenza
8)
nei reostati sono presenti solo due morsetti e uno dei due contatti fissi non è accessibile
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unita_2_2.txt · Ultima modifica: 2017/02/17 10:42 da admin