Stabilità dei resistori: gli effetti sui circuiti

RESISTORI –

Qualsiasi componente elettronico, anche quelli garantiti con tolleranze minime, può avere variazioni delle specifiche che vanno ad influire sulle prestazioni dei circuiti elettronici e dei sistemi in cui viene utilizzato.

Chi progetta strumenti o sistemi di controllo scopre molto presto che i limiti alle prestazioni dei propri apparati sono dettati dalle caratteristiche dei componenti elettronici utilizzati, ovvero dalle specifiche di questi ultimi in termini di stabilità, risposta in frequenza, rumore e interferenze Esd. Questa considerazione vale maggiormente quando si parla di componenti passivi e in particolare di resistori, un tipo di componente che deve essere in grado di rispettare requisiti stringenti di precisione e compensabilità. Già la scelta del tipo di resistore tra le varie alternative tecnologiche (a filo avvolto, a film spesso o sottile, a lamina metallica) implica l'accettazione di determinate caratteristiche e quindi di un certo numero di compromessi. Compromessi dovuti al fatto che gli effetti delle forze termiche e meccaniche combinate determinano le caratteristiche elettriche del componente e quindi anche qualsiasi tipo di stress successivo fa si che il resistore modifichi i propri parametri e naturalmente anche la variazione dei parametri costruttivi, come le dimensioni, fa variare i parametri elettrici. Occorre poi considerare che, in esercizio, la corrente che attraversa il resistore genera calore e quindi una reazione termica funzione del materiale impiegato, che varia le caratteristiche del componente. Un effetto analogo è dovuto alla temperatura ambiente, anche in condizioni statiche. Il resistore ideale non dovrebbe quindi subire alcuno stress meccanico in produzione, rispettando sempre le specifiche nominali e dovrebbe essere in grado di compensare in qualche modo gli effetti delle variazioni termiche in condizioni statiche o dinamiche per mantenere invariati i propri parametri elettrici. I tipi a filo avvolto riescono a mantenere la tolleranza rispetto alle specifiche dichiarate entro il limite di ±0.005%, con un Tcr (coefficiente di variazione con la temperatura) che può essere anche 5 ppm/°C ma che normalmente varia tra 15 e 25 ppm/°C. Il rumore termico è relativamente basso e può essere mantenuto entro ± 2 ppm /°C, almeno in un intervallo limitato di temperatura, anche se questo controllo implica un aumento del costo del componente.

Resistori wirewound
Nella produzione di resistori a filo avvolto, alcuni processi possono influire notevolmente sulle caratteristiche finali del componente. Ad esempio, il filo viene avvolto tenendolo in tensione attorno a un rullo che potrebbe stirare il fio stesso alterandone il diametro. Inoltre, mentre si forma l'avvolgimento, ogni spira di filo ha la faccia interna compressa e quella esterna in tensione. Si tratta di deformazioni permanenti e irreversibili, da cui dipende la stabilità e che possono modificare in modo imprevedibile il coefficiente Tcr rispetto al valore previsto. Sul lungo periodo, l'elemento avvolto tende a modificarsi perché il filo cerca di ritornare alla forma iniziale. Le variazioni meccaniche, casuali e imprevedibili, solo la causa di variazioni ugualmente casuali e imprevedibili dei parametri elettrici; quindi, dopo l'avvolgimento, l'elemento resistivo può avere prestazioni elettriche molto variabili, eccellenti in alcuni casi oppure scarse in altri. I resistori a filo avvolto sono caratterizzati da un valore relativamente alto di induttanza parassita, a causa della struttura a spire affiancate, così come è presente anche una capacità parassita. Le caratteristiche in alta frequenza di questi componenti non sono particolarmente brillanti, in particolare per frequenze superiori ai 50 kHz. Non è semplice costruire due resistori a filo avvolto, di uguale valore di resistenza, che siano in grado di esibire un comportamento identico su un certo intervallo di temperatura, questa capacità di replicare il comportamento elettrico di un altro componente analogo è invece particolarmente utile nei circuiti di precisione. I metodi tradizionali di costruzione dei resistori a filo avvolto non prevedono di isolare l'elemento resistivo dai vari stress metallici causati dai processi di inserzione, formatura dei terminali, confezionamento, ecc.

Resistori thick film
I resistori a film spesso offrono una buona risposta in frequenza ma hanno altre caratteristiche che li rendono poco adatti alle applicazioni in cui si richiede elevata precisione. La tolleranza per il valore nominale può anche essere dell'1% ma generalmente è molto più alta, compresa tra il ± 5% e il ± 20%. Il coefficiente di temperatura può essere mantenuto entro le 50 ppm/°C selezionando accuratamente i componenti e può anche permettere di abbinare due componenti in modo che la compensazione reciproca mantenga il coefficiente entro ± 20 ppm/°C. La stabilità sul ciclo di vita è tra il 2% e il 5% del valore di resistenza (da 20.000 a 50.000 ppm/anno) e il rumore non è trascurabile.

Resistori thin film
I resistori a film sottile, depositato su substrati di vario tipo, offrono un'accuratezza massima di ± 0.1%. Il processo produttivo è tale che è estremamente difficile riuscire ad ottenere un Tcr migliore di ±10 ppm/°C. Inoltre, la variazione del coefficiente tra due resistori uguali qualsiasi è tale da non essere praticamente mai inferiore a 20 ppm/°C. Come per molti altri tipi di resistori, gli effetti ambientali e le derive da invecchiamento si sommano, al punto di superare le tolleranze iniziali. Sono frequenti variazioni della resistenza fino al ±1% o al ±2%, indipendentemente dalla tolleranza iniziale del resistore, normalmente tra ±0.05 % e ±1%. Con variazioni del valore della resistenza pari al ±2 si dovrebbe stimare una tolleranza complessiva per il circuito fino al 6%. Si tratta di un livello di instabilità tale da escludere l'impiego di resistori a film sottile come sostituti dei resistori di precisione a filo avvolto. Dal punto di vista fisico, le cause che contribuiscono all'instabilità dei resistori a film sottile sono numerose; vanno dalla distorsione dei reticoli di cristallizzazione, alla formazione di aggregati discontinui, occlusioni di gas nell'interfaccia dei cristalli, ossidazione del film con formazione di ossidi semiconduttori, fino agli stress meccanici. Il vantaggio offerto dai resistori a film sottile è che possono essere impiegati nelle applicazioni ad alta velocità, dove la precisione e la stabilità non sono requisiti così fondamentali e dove il costo è invece un fattore decisivo. Inoltre, poiché il film sottile può essere deposto come rete resistiva su un singolo substrato, richiede un numero minore di terminali. I resistori a film sottile sono comunque molto sensibili alle scariche Esd e possono danneggiarsi fino a interrompere la continuità elettrica del circuito.

Resistori Bulk Metal Foil
I vantaggi offerti dai resistori a lamina metallica iniziano dal processo costruttivo. Questo tipo di resistore viene prodotto cementando un film di lega metallica stesa a fredda su un substrato. Lo strato metallico viene poi fotoinciso ricavandone linee sottilissime adeguatamente spaziate; le dimensioni delle linee sono facilmente tarabili fino ad ottenere resistenze con valori di precisione entro 0.001% (10 ppm) e con bilanciamento a coppie entro 0.002% (20 ppm). Un TCR di ± 0.05 ppm/°C (tra 0°C e 60 °C) è ormai uno standard con la nuova tecnologia Z-Foil, grazie al tipo di lega utilizzato e all'eccellente adattamento al substrato. La struttura planare con elementi paralleli riesce a compensare l'induttanza parassita, fino a ridurla a un totale massimo di soli 0.08 µH. Gli effetti capacitivi sono limitati a 0,5 pF, il che significa che un resistore da 1 kΩ ha un tempo di salita inferiore a 1 ns, senza oscillazioni. Il tempo di salita dipende dal valore della resistenza, ma valori superiori o inferiori di resistenza presentano una riduzione abbastanza trascurabile del tempo di salita rispetto ad una resistenza di valore medio. L'assenza di oscillazioni è molto utile per le applicazioni di commutazione ad alta velocità, ad esempio, nei personal computer. I resistori e le reti resistive a lamina metallica sono ampiamente utilizzate nella strumentazione di misura e controllo e nelle applicazioni militari e aerospaziali, dove la precisione è fondamentale. Sono particolarmente vantaggiosi per l'impiego nei sistemi esposti a condizioni ambientali e a temperature estreme, quando sono tollerate solo variazioni minime dei valori di resistenza. Sono comunemente impiegate nella conversione analogico-digitale e digitale-analogica, dove contano l'alta velocità e la stabilità del componente;
Ad esempio, un progetto ha riguardato la realizzazione di un argano controllato da un computer, che regola automaticamente la forza di frenata in caso di operazioni di recupero aereo, in modo da garantire una tensione costante del cavo oppure un'accelerazione regolare. Il computer che controlla lo smorzamento deve reagire in modo da non danneggiare il carico ma anche da non eccedere nella forza esercitata sul veicolo che esegue la trazione, e deve mantenere la stessa regolazione per tutta l'operazione.
Visto che il computer è sull'aeroplano che reca l'argano, deve funzionare a temperature da -65 °F (-53,8888889 °C) a 120 °F (48,8888889 °C) anche in presenza di vibrazioni intense. I primi modelli di sistema di controllo utilizzavano resistori a filo avvolto e a film sottile di precisione, ma la stabilità al variare della temperatura era un problema. Entrambi questi tipi di resistori presentavano una deriva termica tale che ad alte temperature il valore nominale si riduceva nettamente; erano necessarie continue regolazioni, per compensare le variazioni dei resistori e si poteva ottenere un funzionamento regolare solo utilizzando resistori di valore maggiore ma starati. Il passaggio ai resistori Bulk Metal Foil in tecnologia Z-Foil ha risolto il problema della deriva termica, oltre a permettere maggiore integrazione su scheda e una massa minore e quindi meno sensibile alle vibrazioni.
Un altro esempio è quello del calcolo dei dati di volo negli aerei moderni. Spesso i calcoli si basano sulla misura della pressione statica e totale dell'aria attorno al velivolo e recuperare queste informazioni richiede apparecchiature sofisticate. Prima di procedere ai calcoli è necessario trasformare il valore di pressione misurata da un trasduttore in un valore numerico digitale. La stabilità del trasduttore e quella dei circuiti di conversione A/D e D/A con i relativi amplificatori sample & hold, sono quindi le caratteristiche che possono rendere i dati finali affidabili o meno. L'obiettivo è garantire una precisione di ±0.01 psi per anno (±0.07% sull'intera scala).  Utilizzando i resistori Bulk Metal Foil si è potuto ottenere un aumento tra il 30% e il 50% delle prestazioni a lungo termine per i circuiti analogici, su un periodo di analisi di 650.000 ore di volo; il trasduttore ha mantenuto la precisione iniziale di ±0.04% sull'intera scala per oltre un anno.

Pubblica i tuoi commenti