Lezione 1


I resistori e la resistenza elettrica

Il resistore (chiamato a volte impropriamente resistenza) e' uno tra i componenti piu' utilizzato in campo elettrico o elettronico.
Difficilmente esiste un circuito elettronico che possa funzionare correttamente senza tale componente.
Proprio perche' è largamente diffuso non bisogna trascurare la sua conoscenza, ma spesso, pur essendo il componente piu' comune ed economico e' poco conosciuto.
Molti non conoscono approfonditamente sia l'importanza che riveste in campo elettronico, sia le sue caratteristiche.

Vediamo di scoprire tutti i segreti di questo indispensabile componente.

Normalmente si ritiene che un resistore possa essere selezionato in base al valore della resistenza elettrica nominale (in ohm) e la potenza massima che puo' dissipare (in watt).
Cio' e' normalmente sufficiente per la maggior parte delle applicazioni, ma in alcuni casi specifici, vanno presi in considerazione anche altri importanti parametri, quali ad esempio il tipo di materiale con cui è stato realizzato.
La funzione del resistore e' quella di limitare la corrente elettrica perpolarizzare altri dispositivi elettronici  collegati in serie.
Esso e' inoltre utilizzato per realizzare precisi attenuatori di tensione elettrica mediante partizione.
In alcune applicazioni viene utilizzato per attenuare la potenza mediante opportune reti a T o a P greco.
La sua elevata precisione rispetto ad altri componenti sia attivi che passivi lo rendono il componente ideale nel campo della strumentazione di misura.
Utilizzando i resistori, mediante la tecnica della controreazione, e' possibile progettare circuiti elettronici attivi con caratteristiche di notevole precisione.
Cio' e' fondamentale per compensare la dispersione delle caratteristiche intrinseche dei componenti attivi.

TOLLERANZA

La tolleranza di un resistore è la massima deviazione del valore resistivo reale rispetto a quello nominale.
Normalmente la tolleranza viene espressa in percentuale, ed e' legata alla temperatira standard di 25 °C.
Le percentuali utilizzate generalmente sono:
  • Altissima precisione per tolleranze inferiori del 0,25% e 0,1%.
  • Alta precisione per tolleranze del 0,5%, 1% e 2%.
  • Media precisione per tolleranze del 5% e 10%.e
  • Bassa precisione per tolleranze del 20%.

Valori standard

In accordo alle norme IEC sono state fissate delle serie normalizzate di valori compresi da 1 a 10.
Tutti gli altri valori sono multipli o sottomultipli di 10.
La serie E6 ha 6 valori, la E12 ha 12 valori e cosi' via.
Le serie da E6 a E24 sono utilizzate per resistenze di bassa e media precisione 20%, 10% e 5%.
La serie E94 viene utilizzata per resistenze di precisione 2%, 1%, 0,5%, 0,25%, 0,1%.

Identificazione

Il valore della resistenza e la tolleranza viene indicato sul corpo del componente mediante un codice di colori a:

4 bande per le resistenze di bassa e media precisione.
5 bande per resistenze di alta precisione.

Tali codici soddisfano gli standards IEC 62 e DIN 41 429.
Di seguito viene riportata una tabella riassuntiva che vale sia per il codice a 4 bande che per quello a 5.
In alcuni casi viene riportata un'ulteriore banda per indicare il coefficiente di temperatura.
Cio' spesso contribuisce a generare un po' di confusione.

Codice a 4 bande di colore
Codice a 5 bande di colore
 

COLORE BANDE 1, 2, (3) MOLTIPLICATORE TOLLERANZA COEFF TEMP
NERO 0 0 200 ppm/°K
MARRONE 1 1 1% 100 ppm/°K
ROSSO 2 2 2% 50 ppm/°K
ARANCIO 3 3 25 ppm/°K
GIALLO 4 4 15 ppm/°K
VERDE 5 5 0,5%
BLU 6 6 0,25% 10 ppm/°K
VIOLA 7 7 0,1% 5 ppm/°K
GRIGIO 8 8 1 ppm/°K
BIANCO 9 9
ORO -1 10%
ARGENTO -2 5%
SENZA COLORE 20%

Se le bande non sono centrate rispetto al corpo del componente, si orienta questo in modo da avere a sinistra il terminale piu' vicino alle bande.
Se invece le bande sono centrate, una che si trova agli estremi deve essere piu' larga delle altre. Si orienta il componente in modo da vederla a destra.
Nello standard a 4 bande si hanno solo 2 cifre significative che corrispondono alle prime due bande A e B.
La terza banda e' il fattore di moltiplicazione mentre l'ultima e' la tolleranza.
La formula per calcolare il valore e' (10XA+B) X 10^M +/-T.
Nello standard a 5 bande si hanno 3 cifre significative che corrispondono alle prime tre bande A, B e C.
La quarta banda e' il fattore di moltiplicazione mentre l'ultima e' la tolleranza.
La formula per calcolare il valore e' (100XA+10XB+C) X 10^M +/-T.

Per semplificarci la vita possiamo anche dire che:

Per lo standard a 4 barre:

La prima fascia corrisponde alla prima cifra
la seconda fascia corrisponde alla seconda cifra
la terza fascia sono il numero di zeri da mettere a destra delle due cifre.
La quarta cifra è la tolleranza.

Per lo standard a 5 barre:

La prima fascia corrisponde alla prima cifra
la seconda fascia corrisponde alla seconda cifra
la terza cifra corrisponde alla terza cifra
la quarta fascia sono il numero di zeri da mettere a destra delle tre cifre.
La quinta cifra è la tolleranza.

Resistori ceramici di potenza:

Il valore della resistenza dei resistori di potenza viene spesso indicato con delle sigle stampigliate sul corpo del componente al posto del codice dei colori come segue:

VALORE DI RESISTENZA SIGLA
0,33 OHM R33
3,3 OHM 3R3
33 OHM 33R
330 OHM 330R
0,33 KOHM  K33
3,3 KOHM 3K3
33 KOHM 33K
330 KOHM 330K
0,33 MOHM M33
3,3 MOHM 3M3
33 MOHM 33M
330 MOHM 330M

Esempio di siglatura delle resistenze di potenza

POTENZA NOMINALE

Il valore della potenza dei resistori rappresenta la massima potenza in watt che il resistore puo' dissipare in un ambiente con temperatura inferiore a 70 °C.



Al di sopra di tale temperatura si applica un fattore di derating, cioe' di riduzione della potenza dissipabile con legge lineare in funzione dell'aumento di temperatura.
Tale parametro viene normalmente fornito dal costruttore.
La massima potenza dissipabile dipende dal materiale di supporto del resistore e dalle dimensioni fisiche del medesimo.
Di seguito viene riportata una tabella di esempio dalla quale si puo' orientativamente estrapolare la potenza dissipabile da un resistore in base alle dimensioni fisiche.
 
Potenza in W Diametro in mm Lunghezza mm
1/8 1,6 4,1
1/4 2,5 6,7
1/3 2,5 7,5
1/2 3,7 10
1 5,2 8
La tabella e' puramente indicativa, ma comunque abbastanza valida.

STABILITA'

E' la deriva nel tempo del valore di resistenza dovuto all'invecchiamento, misurata ad esempio dopo 1000 ore di lavoro a piena potenza alla temperatura di 70 °C.

COEFFICIENTE DI TEMPERATURA

Definisce la variazione del valore resistivo in funzione della temperatura e viene espressa il parti per milione per grado centigrado ppm/°C. Tale variazione dipende dalla qualita' del materiale impiegato.
In alcuni resistori tale coefficiente di temperatura viene indicato usando una banda di colore aggiuntiva, distanziata dalle bande di colore usate per indicare il valore di resistenza.

TENSIONE MAX DI LAVORO

E' la massima tensione che puo' essere applicata in continua al resistore; per i valori di resistenza superiori ai 100 ohm e' di solito almeno di 1000 V.
La tensione massima dipende non solo dalla potenza che il resistore e' in grado di dissipare, ma anche dalla rigidita' dielettrica del materiale usato.


PARAMETRI IN ALTA FREQUENZA

Alle alte frequenze bisogna tener conto degli effetti parassiti del resistore reale.
Il circuito equivalente prevede una induttanza in serie e una capacita' in parallelo alla serie RL.

I valori delle impedenze parassite dipendono dalla tecnica costruttiva.
In genere l'induttanza parassita e' quella che alle frequenze alte produce i maggiori problemi.
Alle basse frequenze l'effetto della capacita' e dell'induttanza possono essere trascurate in quanto C si comporta come un circuito aperto (altissima resistenza) e L si comporta come un corto circuito (resistenza in serie praticamente nulla).
Aumentando la frequenza C tende ad abbassare il valore di R mentre L tende ad alzarlo finche' alla frequenza 1/2PI*RAD(LC) la coppia LC entra in risonanza compensandosi a vicenda.
Aumentando ulteriormente la frequenza L tende ad annullare R (alzando il valore d'mpedenza del gruppo RL) mentre C tende a cortocircuitare il segnale.
Come risultato la resistenza puo' essere utilizzato per frequenze inferiori alla frequenza di risonanza del gruppo LC.
Un indice dell'influenza di questi effetti reattivi sulla qualita' del resistore e' dato dall'angolo di fase FI.
FI = arctang(Xeq/Req)
Per tener conto degli effetti parassiti i costruttori forniscono delle curve caratteristiche che indicano la variazione del valore resistivo nominale in funzione della frequenza.
In alternativa forniscono il rapporto in % tra la resistenza in alternata Rac e la resistenza in continua Rdc in funzione del prodotto MHz x MHohm.
Per applicazioni in Alta Frequenza bisogna scegliere la corretta famiglia di resistori per la banda di frequenze che si sta utilizzando.
 
RUMORE

Il rumore viene espresso come Tensione di Rumore.
Essa indica le fluttuazioni di tensione che si verficano ai capi di un resistore per l'effetto Johnson.
Tale fenomeno e' dovuto al moto caotico degli elettroni liberi per agitazione termica.
Il valore efficace di questo rumore dipende dalla banda di frequenze in uso e dalla temperatura secondo la relazione:
              _________
Veff = V(4kTRdF)

dove:

k = Costante di Boltzman 1,38 x 10^-23 (J/°K)
T = Temperatura assoluta °K alla quale si trova il resistore
R = Resistenza nominale
dF = Intervallo di frequenza considerato

I costruttori forniscono un grafico espresso in uV/V in funzione della resistenza.
Il rumore diventa importante nei primi stadi degli amplificatori di segnale sia in bassa che in alta frequenza.
 
TECNICA COSTRUTTIVA

La struttura costruttiva di un resistore e' basata su:

  • SUPPORTO DI SOSTEGNO
  • ELEMENTO RESISTIVO
  • RIVESTIMENTO PROTETTIVO

L'elemento resistivo puo' essere:

A IMPASTO A STRATO (FILM SOTTILE O FILM SPESSO)

A FILO

Le resistenze ad impasto sono piu' robuste, meno ingombranti a parita' di potenza, meno induttive. Esse consistono in un cilindretto di carbone impastato con resina fenolica e stampato.
Il tutto viene racchiuso in un altro cilindretto isolante.
Le resistenze a strato sono piu' stabili, meno rumorose e normalmente piu' precise di quelle a impasto.
Si realizzano depositando una sottile pellicola di materiale resistivo avvolto a spirale su un cilindretto ceramico.
Il materiale usato per la pellicola e' in genere carbone o grafite e, per avere un alta stabilita', vengono anche usati degli ossidi metallici.
Una lacca protettiva ricopre il tutto mediante verniciatura.
Le resistenze a filo vengono utilizzate per dissipazioni di potenza elevate oppure per ottenere delle precisioni molto elevate.
Sono realizzate avvolgendo del filo nichel-cromo o costantana su un supporto ceramico o fibra di vetro.
Il tutto viene verniciato con lacca protettiva o annegato in una cassettina ceramica con uno speciale cemento.

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