Classificazione dei resistori Fissi - Resistori a Composizione

Classificazione dei resistori fissi

In base alla potenza dissipabile, tutti i resistori fissi possono essere classificati secondo le seguenti tre categorie:

 

  • resistori di piccola potenza, per i quali il valore massimo della potenza è di 2 W, del tipo a composizione, a film e a filo;
  • resistori di media potenza, con potenza massima di 20 W;
  • esistori di alta potenza, fino a 200 W.

I resistori della prima categoria sono quelli di più vasto impiego nel campo dell'elettronica, considerando il grande numero di applicazioni in cui tali resistori intervengono. E, pertanto, necessario per essi esaminare il comportamento nei riguardi delle varie sollecitazioni elettriche e ambientali alle quali possono essere sottoposti, Per i resistori di potenza più elevata è, in genere, sufficiente esaminare soprattutto le possibilità di dissipazione di potenza a seconda delle condizioni ambientali in cui sono posti a funzionare e della temperatura che possono raggiungere senza subire danni.

 


 

Resistori a composizione

I resistori a composizione sono largamente usati in molte applicazioni per le loro dimensioni relativamente piccole, il vasto campo di valori di resistenza che si può ottenere, che è il più esteso di qualsiasi altro tipo di resistore, il basso costo, a meno che non vi siano particolari considerazioni soprattutto di stabilità e di precisione che ne sconsigliano l’uso.

L’elemento resistivo è costituito da un agglomerato di carbone o grafite e resine sintetiche, in varie proporzioni a seconda del valore della resistività che si desidera ottenere.

resistori6 Fig. 1. - Resistori a composizione; in (a) e in (b), del tipo slug (pallottola); in (c), del tipo a filamento, con materiale resistivo su un tubicino di vetro e con rivestimento isolante molded.

I resistori a composizione vengono essenzialmente costruiti in due tipi fondamentali. In un primo tipo (Slug type), come è rappresentato in fig. 1(a) e (b), l’elemento resistivo è costituito da un corpo cilindrico (slug) a se stante a cui, con diverse tecniche, Vengono applicati i terminali, e intorno al quale è stampata (molded) una custodia isolante. La miscela omogenea che costituisce l’elemento resistivo è composta da granuli di carbone, grafite o ambedue, e da polveri isolanti, in genere resine fenoliche. La miscela viene sottoposta ad un processo di polimerizzazione a temperatura e pressione opportune.

Nel secondo tipo, l’agglomerato di carbone-resine viene depositato come una vernice in sottile strato su tutta la superficie esterna di un tubicino di vetro, chiamato filamento, e sottoposto al processo di polimerizzazione. Il filamento viene attaccato ai terminali con cemento conduttivo e incorporato in uno spesso incapsulamento isolante di resina organica, come è rappresentato in fig. 1(c).

La struttura risultante dell'elemento resistivo è costituita, pertanto, da un gran numero di particelle conduttrici isolate l’una dall'altra e presenta una resistività che si può controllare variando il rapporto fra la quantità di isolante e quella dei granuli conduttori. Grossolanamente si può ritenere che la resistenza presentata dall'elemento resistivo così ottenuto è, in sostanza, la somma delle resistenze di contatto trà le numerosissime particelle conduttrici che lo compongono.

Per la natura stessa della composizione dell'elemento resistivo, questi resistori sono particolarmente sensibili a tutte quelle sollecitazioni elettriche e ambientali, quali le variazioni di temperatura, le variazioni della tensione applicata, ecc., che in qualsiasi maniera possono provocare alterazioni di queste resistenze di contatto.

Entrambi i tipi di resistori a composizione, fra i quali non si hanno apprezzabili differenze se non alle alte frequenze, vengono generalmente costruiti in tre formati, con potenze nominali dissipabili di 1/2 W, 1 W e 2 W; per applicazioni dove è richiesta una particolare miniaturizzazione si costruiscono anche i formati più piccoli, da 1/4 W e 1/10 W.

Per ogni formato le tolleranze sui valori nominali della resistenza sono: ±5%, ±10%, e ±20% e i valori nominali coprono un campo da 10Ω a 22 MΩ.

In ogni decade in questo campo i valori sono scelti secondo una progressione geometrica con ragione uguale a 24√ 10, 12√10 e .6√10 rispettivamente per le tolleranze 5%, 10% e 20 %, come è mostrato nella seguente tabella:

Valori standard per ogni decade per i resistori a composizione
±5% ±10% ±20%
1,0 1,0 1,0
1,1
1,2 1,2
1,3
1,5  1,5 1,5
1,6
1,8 1,8
2,0
2,2 2,2 2,2
2,4
2,7 2,7
3,0
3,3 3,3 3,3
3,6
3,9 3,9
4,3
4,7 4,7 4,7
5,1
5,6 5,6
6,2
6,8 6,8 6,8
7,5
8,2 8,2
9,1
numero valori per decade 24 12 6

Il valore N del termine n-esimo della decade è dato da

Con K =24 o 12 o 6 a seconda della tolleranza

Per quel che riguarda la caratteristica potenza dissipabile-temperatura di ambiente, i resistori a composizione si possono dividere in due classi: quelli della prima classe possono dissipare la potenza nominale (1/2 W, 1 W, 2 W) fino ad una temperatura di ambiente di 40 °C, mentre quelli della seconda classe fino ad una temperatura di ambiente di 70 °C. Per temperature superiori a questi valori la potenza dissipabile deve essere gradualmente ridotta (derating) fino ad annullarsi a 110 °C e 130 °C, rispettivamente per le due classi, secondo le curve di derating riportate nella fig. 2.

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Fig. 2 - Curve di derating delle due classi dei resistori a composizione: classi caratteristiche B e G previste dalle norme MIL-R-11A o MlL-R-39008.

 


 

Durante il funzionamento sotto carico dei resistori a composizione si manifesta una variazione irreversibile del valore della resistenza dell'ordine del 10% del valore iniziale, in qualche migliaio di ore.

Al variare della temperatura nel corpo del resistore si manifestano delle tensioni interne, da attribuirsi alle diverse dilatazioni termiche dei materiali, che danno luogo a variazioni di pressione tra le particelle conduttrici dell'elemento resistivo, con conseguenti variazioni delle resistenze di contatto. Le variazioni della resistenza al variare della temperatura non sono lineari, dipendono dal tipo di composizione usato per l’elemento resistivo, dalle dimensioni del resistore e dal valore della sua resistenza. Poiché la pendenza della curva resistenza-temperatura non è costante, piuttosto che riferirsi al coefficiente di temperatura, si considera la caratteristica resistenza-temperatura. La variazione percentuale della resistenza rispetto al valore misurato a 25 °C, per un dato tipo di resistore a composizione, ha un andamento parabolico con concavità verso l’alto, come è rappresentato in fig. 3(a) e (b), relative a resistori a composizione da 1/2 W per vari valori di resistenza, per due diverse composizioni.

Per quanto riguarda l'effetto che le variazioni della tensione applicata producono sul valore della resistenza, si osserva che, per una data composizione e un dato valore nominale della resistenza, la variazione percentuale di resistenza prodotta da una certa variazione di tensione è tanto più piccola quanto più l’elemento resistivo è lungo e sottile, oppure che, per una data composizione e fissate dimensioni geometriche, è tanto più piccola quanto più basso è il valore nominale della resistenza. In fig. 4 è rappresentato l’andamento del coefficiente di tensione per due tipi di resistori di diversa composizione, da 1/2 W e da 1 W, in funzione del valore nominale della resistenza.

Come si è già accennato, oltre al rumore termico Johnson-Nyquist, nei resistori a composizione, data la natura stessa dell'elemento resistivo, quando sono percorsi da una corrente continua si manifesta il cosiddetto current noise (o rumore flicker) di tipo 1 / f, dovuto ad una fluttuazione caotica della resistenza a cui corrisponde una fluttuazione altrettanto caotica della tensione ai loro terminali. In fig. 5 è rappresentata, in funzione della frequenza, la tensione di rumore 1/ f generata in una banda di 1 kHz da due resistori di 1 kΩ e 100 kΩ sottoposti, rispettivamente, ad una tensione di 10 V e 100 V.

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Fig. 3 - Variazione della resistenza in funzione della temperatura per i resistori a composizione, per due diverse composizioni dell'elemento resistivo.

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Fig. 4. - Coefficiente di tensione in funzione del valore nominale della resistenza per i resistori a composizione, per resistori da 1/2 W e 1 W, di diversa composizione. Con A e B sono state indicate convenzionalmente due diverse composizioni dell'elemento resistivo.

Per confronto,  nella stessa figura è anche riportato il valore della tensione di rumore termico per gli stessi resistori alla temperatura di 25°C. Si osserva che il rumore 1 / f è predominante per frequenze fino alle centinaia di kHz e che può avere un valore fino a 100 volte maggiore di quello del rumore termico alle frequenze dell'ordine delle migliaia di Hz.

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Fig 5 - Rumore di tipo 1/f e rumore termico nei resistori a composizione

 


 

Riguardo al comportamento alle alte frequenze dei resistori a composizione, si osserva sperimentalmente che la resistenza equivalente diminuisce notevolmente all'aumentare della frequenza, rispetto al valore misurato in corrente continua, e questo comportamento è generalmente attribuito alla capacità intergranulare esistente fra le varie particelle conduttive dell'elemento resistivo. Il fenomeno è noto come effetto Boella. Per la sua giustificazione occorre sostituire al resistore un circuito equivalente alquanto complesso, considerando il resistore stesso come una linea, caratterizzata da resistenza e capacità distribuite, di lunghezza pari alla metà della lunghezza effettiva del resistore e chiusa in cortocircuito ad una estremità, come è schematicamente rappresentato in fig. 6.

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Fig 6 - Equivalenza fra un resistore a composizione e una linea di trasmissione.

L’impedenza di ingresso di tale linea equivalente simula l'impedenza che si ha ai terminali del resistore; essa dipende dalla sua lunghezza, dalla capacità distribuita, dalla resistenza misurata in corrente continua e dalla frequenza. In fig. 7  è mostrato l’andamento teorico della resistenza e della capacità di ingresso in rapporto ai valori misurati a bassa frequenza, in cui in ascissa è riportato il prodotto I C0R0 f, essendo l la lunghezza del resistore in cm, C0 la capacità distribuita in pF/cm, R0 la resistenza in Ω misurata in corrente continua e f la frequenza in Hz.

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Fig 7 - Variazione della resistenza e della capacità di ingresso in funzione del prodotto lC0R0f per i resistori a composizione.

Per un dato tipo di resistore, di una data composizione e fissate dimensioni (a parità, cioè, di l e C0), il rapporto R/R0 dipende solo dal prodotto R0 f (legge del prodotto). In fig. 8(a) sono riportati alcuni andamenti di R/R0 in funzione del parametro R0 f per diversi tipi di resistori a composizione di carbone da 1/2 W e 1 W. Questi resistori, per valori medi della resistenza, seguono approssimativamente la legge del prodotto. Per i resistori con valori più elevati della resistenza la legge del prodotto è difficilmente applicabile, come è mostrato in fig. 8(b), in cui per confronto sono anche riportate le caratteristiche dei resistori che seguono la legge del prodotto. Dalla fig. 8(a) si rivela che, per elevati valori della resistenza nominale, la diminuzione della resistenza equivalente è già notevole a frequenze dell'ordine del MHz; inoltre si osserva che, a parità di resistenza nominale, esistono notevoli differenze di comportamento fra i vari tipi di resistori.  

 

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Fig. 8 - Variazione normalizzata della resistenza dei resistori a composizione di carbone da 1/2 e 1 W. In (a), per resistori con valori di resistenza media; in (b), per valori elevati deifà resistenza dei resistori che non seguono la legge del prodotto e confronto con resistori che la seguono.

In generale si può affermare che nei riguardi del comportamento alle alte frequenze un resistore a composizione risulta tanto migliore quanto più è bassa la quantità di dielettrico presente nell'elemento resistivo; per un dato valore nominale della resistenza il comportamento dipende dalle dimensioni geometriche del resistore ed è tanto migliore quanto più piccolo è il rapporto fra la sezione trasversale e la lunghezza dell'elemento resistivo. Pertanto i tipi a filamento, nei quali lo spessore dello strato conduttivo può variare da circa 0,005 mm a circa 0,025 mm, sono sostanzialmente migliori dei tipi slug, come è possibile constatare dalle caratteristiche di frequenza rappresentate in fig. 9. Quelli a filamento, a parità di valore nominale della resistenza e di riduzione della resistenza equivalente ammessa, possono essere, in media, utilizzati su un campo di frequenze quasi dieci volte maggiore dei tipi slug.

Il valore della resistenza in Ω e della tolleranza vengono marcati sul corpo del resistore mediante un particolare codice a colori con quattro bande colorate parallele, tracciate a partire da una estremità intorno alla superficie cilindrica  del resistere; le prime due bande forniscono le cifre significative del valore nominale della resistenza, la terza dà la potenza di 10 per la quale deve essere moltiplicato il numero ottenuto dalle prime due; la quarta banda indica la tolleranza. Il codice a colori è riportato nella seguente articolo colori di resistenze e condensatori.

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Fig. 9 - Variazione della‘ resistenza equivalente in funzione di Rof per i resistori a composizione del tipo a filamento e del tipo slug.

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