Tecnologie diverse per resistere ai sovraccarichi

RESISTENZE –

Il comportamento di una resistenza in condizioni di surge è un elemento determinante nella scelta del tipo di tecnologia per ogni specifica applicazione. Le tecnologie thick film e wirewound sono tra le più utilizzate in applicazioni soggette a sovraccarico.


I picchi di tensione rappresentano una delle più frequenti cause di guasto per i vari tipi di resistori impiegati in applicazioni particolarmente gravose: da questo punto di vista, ogni tecnologia, sia essa thin film, solid composition, thick film o wirewound, presenta particolari vantaggi o limitazioni. Un criterio generale è che aumentando la massa dell'elemento resistivo (film o filo) ed eliminando le zone di concentrazione del flusso di corrente se ne migliora la surge capability. La prova è che le resistenze a film spesso e a filo avvolto sono tra le più utilizzate in applicazioni soggette a surge: il comportamento in tali condizioni diventa quindi un elemento determinante nella scelta del tipo di tecnologia per ogni specifica applicazione.

Le resistenze thin film

Le resistenze thin film sono costituite da un sottile strato di materiale resistivo, solitamente depositato attraverso processi di evaporazione o applicazione a spruzzo su un supporto di ceramica o di silicio. Sebbene questo tipo di tecnologia offra altissima precisione e stabilità, le sue prestazioni in presenza di sovratensioni impulsive sono deludenti a causa della massa limitata del materiale resistivo. Pertanto queste resistenze sono raramente usate in surge applications, dove invece risultano molto più efficaci le tecnologie thick film e wirewound.

Le resistenze solid composition

Un'altra tecnologia usata in applicazioni soggette a surge è quella denominata "solid composition", consistente in un nocciolo solido di particelle di carbonio incapsulate in una matrice ceramica o polimerica. Nella sua versione più tradizionale a carbone, questo composto viene prodotto comprimendo una miscela di particelle di carbonio caricata con materiali riempitivi organici e inorganici. Trattata ad alta temperatura, la variante in ceramica fonde un elemento conduttore (carbone o metalli come il tantalio) con un riempitivo ceramico fino a formare un nucleo solido che costituisce l'elemento resistivo. Grazie a questo nocciolo ceramico, che consente di dissipare il calore attraverso la sezione trasversale dell'elemento, questo tipo di resistenza presenta una capacità di resistere ai surge superiore a qualsiasi resistore a strato e persino a quelli a filo avvolto. Uno dei limiti di questa tecnologia è però la alta tolleranza, in genere 5-10%, a causa della difficoltà di ottenere un valore ohmico alquanto preciso.

Le resistenze Thick Film

Le resistenze Thick Film sono realizzate depositando un impasto semiliquido di particelle ceramiche e metalliche su un substrato di ceramica a superficie piana o cilindrica. Ad esempio, il processo chiamato "tantalum-based MetalGlaze IRC" prevede la fusione del thick film su un nocciolo solido cilindrico di ceramica a 1000°C. In questo modo si produce una base la cui robustezza è particolarmente adatta a sopportare picchi di tensione. Il preciso dosaggio nella formulazione del thick film e la calibratura del processo di produzione possono essere utilizzate per determinare la surge capability del resistore.
Il parametro che più influenza il comportamento in regime impulsivo di un elemento a film è la massa dell'elemento stesso, direttamente proporzionale al prodotto dello spessore per l'area della superficie. La tecnologia thick film, garantendo uno spessore da tre a dieci volte quello della thin film, presenta quindi rispetto a quest'ultima una surge capability decisamente superiore.
Da questo punto di vista, anche la geometria è determinante: un resistore thick film cilindrico con una pellicola che ricopre tutta la circonferenza del supporto presenta una superficie maggiore rispetto a una standard one-sided thick o a una thin film flat chip. Questa area in più comporta una maggiore massa del film e, in ultima analisi, migliora la risposta alle condizioni di surge. Inoltre, ad una superficie più estesa corrisponde una migliore dissipazione di calore, conferendo al resistore una temperatura di lavoro più bassa, e di conseguenza un buon margine di sovraccarico.
Un altro fattore determinante delle prestazioni ai picchi di tensione è la modalità in cui il componente viene aggiustato al valore di resistenza finale. Le resistenze di questo tipo sono trimmate al valore nominale tracciando con un procedimento a laser un solco nell'elemento resistivo che nelle cilindriche è a forma di spirale, mentre in quelle piatte è a forma di "L". In tal modo, nella zona circostante il solco di trimmatura la superficie destinata al percorso della corrente subisce un restringimento con la creazione di un potenziale punto di rottura in cui, in condizioni di sovraccarico, si manifesta un eccessivo aumento di temperatura. Pertanto, una resistenza non trimmata presenta una capacità di sovraccarico impulsivo da tre a cinque volte più alta: come risulta dalla Fig. 1, che illustra l'effetto dei picchi su resistenze cilindriche trimmate e non, all'aumentare della durata dell'impulso diminuisce la power handling capacity della resistenza.

Le resistenze wirewound

Ideali nel sopportare picchi di sovratensione, le resistenze wirewound sono spesso specificate per questo tipo di impiego in ambienti particolarmente gravosi. Una resistenza a filo consiste solitamente in un nucleo di fibra di vetro o di ceramica sul quale è avvolto un conduttore metallico. Essendo la ceramica un materiale molto dispersivo, si comporta come un dissipatore, garantendo prestazioni migliori nei confronti di eventi di sovraccarico di maggiore durata rispetto alla fibra di vetro che, da questo punto di vista, è meno vantaggiosa.
La surge capability delle resistenze a filo può essere incrementata in diversi modi. Il primo consiste nel massimizzare lunghezza e diametro del filo da avvolgere sul nucleo, col risultato di ottenere un elemento resistivo di massa maggiore. Analogo effetto è raggiunto diminuendo l'induttanza della resistenza: a questo scopo si avvolgono due strati di filo in direzione opposta, aumentando così ulteriormente la massa dell'elemento.
Dopo essere stata avvolta sul nucleo di fibra o di ceramica, la spirale di filo viene incapsulata per conferirle una adeguata protezione da umidità e danni fisici. Questo rivestimento può essere realizzato con una conchiglia modellata, come avviene per i resistori da uno-due watt, con impasti a base di silicio, più adatto per applicazioni ad alta temperatura, o con smalti a base di vetro per garantire impermeabilità. Il rate massimo di sovraccarico di una resistenza è determinato dalle caratteristiche della lega di cui è costituito il filo e dalla massima temperatura che il rivestimento può sopportare. Una resistenza IRC comprende un nucleo di ceramica e un rivestimento a base di silicio, a costituire un componente robusto in grado di sopportare picchi di sovraccarico in ambienti gravosi. Denominate Serie AS, queste resistenze possono anche essere avvolte in maniera anti-induttiva, in modo da accrescerne il surge rating: la serie che presenta queste caratteristiche è la NAS. La Fig. 2 mostra i diversi valori di surge rating dei dispositivi NAS-5, NAS-7, NAS-10. Nella maggior parte degli esempi, la massa dell'elemento resistivo di una wirewound supera quella del film in entrambe le tecnologie thin e thick, rendendo possibili surge ratings più alti.

Thick Film e Wirewound a confronto

La differenza tra queste due tecnologie risiede nella loro diversa capacità di sopportare sovratensioni impulsive. In tali condizioni estreme gli elementi resistivi thick film possono essere soggetti a deterioramento dovuto a un fenomeno innescato dalla tensione che rende conduttivi materiali che solitamente non lo sono. Per questo i thick film resistor sono caratterizzati da uno specifico valore di tensione che non deve essere superato per evitare un potenziale deterioramento. Gli elementi che costituiscono i fili resistivi non presentano problemi di questo tipo e pertanto le resistenze wirewound non sono soggette a specifiche in tal senso.
La valutazione di un componente è spesso determinata rapportando la deriva del valore resistivo ad un limite prefissato. Mentre IRC Wire and Film Technologies division di TT electronics specifica come scarto una variazione di +/-0,25% rispetto al valore nominale, altri costruttori ammettono una tolleranza di +/1%: ovviamente è la specifica applicazione a determinare il criterio più adatto. Infine, poiché è molto facile sottovalutare gli effetti dannosi che il sovraccarico determina sulle resistenze come su altri componenti, è opportuno valutare attentamente le caratteristiche di ogni singolo tipo di resistore prima che questo venga specificato per una particolare applicazione.

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