Non esiste un componente veramente semplice e il resistore ne è un esempio

Le prime cose che un elettrotecnico impara negli anni di studio sono i principi base sui componenti passivi (resistori, condensatori e induttori), di solito a partire dalla legge di Ohm (tensione uguale a corrente per resistenza, o V = I × R). Insieme alle equazioni arrivano gli schemi, con le loro rappresentazioni standard (Figura 1). Le varie regioni del mondo usano simboli diversi, ma questa è un'altra storia.

Figura 1: Questo schema mostra i tre componenti passivi di base - resistore, condensatore e induttore - ma non le specificità di ciascuno in una data applicazione. (Immagine per gentile concessione di Solved Problems)

Guardando quella linea a zig-zag che rappresenta il resistore e conoscendo la sua funzione, si potrebbe concludere che non c'è niente di più semplice. Il resistore è definito principalmente dal suo valore di resistenza in ohm e a volte da qualche altro parametro come la potenza nominale. Praticamente lo studente non vede nient'altro. Anche in un laboratorio applicativo, quasi tutti i progetti sono a bassa potenza e bassa tensione, quindi i loro resistori prendono una delle due forme: la versione "con conduttori" (detta anche "a foro passante") che è comoda per la sperimentazione. Un esempio di un dispositivo simile è RC14KT100Kdi Stackpole Electronics (Figura 2).

Figura 2: Questo resistore con conduttori è facile da gestire e montare su basette sperimentali. (Immagine per gentile concessione di Stackpole Electronics)

L'altro formato è costituito dal chip in contenitore a montaggio superficiale (SMD), come CR1206-JW-104ELF di Bourns (Figura 3). Un componente SMD viene posizionato sulla superficie di una scheda a circuiti stampati, ma è molto più difficile da maneggiare o da testare.

Figura 3: Questo dispositivo a montaggio superficiale molto più piccolo è un resistore in chip con le stesse caratteristiche della versione a foro passante, ma è molto più difficile da maneggiare e da testare. (Immagine per gentile concessione di Bourns Inc.)

Quello che succede è che lo studente di ingegneria dopo la laurea ottiene un impiego e si imbatte per la prima volta in circuiti del mondo reale, magari con l'incarico di stilare la distinta base. E qui arrivano le difficoltà.

Perché? Se si inserisce il termine di ricerca "resistore" nella casella di ricerca di DigiKey, si ottengono cinque categorie principali di resistori con valore fisso:

• Resistori in chip - Montaggio superficiale
• Resistori a foro passante
• Resistori a montaggio su telaio
• Reti resistive, array
• Resistori speciali

Questo è solo l'inizio: se si va più in profondità, le suddivisioni aumentano. Ad esempio, sotto "Resistori speciali", ci sono componenti ad alta potenza, a bassa induttanza, a milliohm usati per il rilevamento della corrente, così come altri per la gestione della potenza, altamente induttivi a filo avvolto nell'ordine di decine di kilohm.

Scegliere il resistore giusto

Qual è il resistore giusto per un dato progetto? A volte la decisione è relativamente facile. Se si tratta di un progetto di base, a bassa potenza e a bassa tensione che utilizza una scheda standard, un resistore in chip è probabilmente il dispositivo da cui iniziare. Anche così, ci possono essere varie opzioni da prendere in considerazione:

• Quale tolleranza iniziale è accettabile: ±20%, ±1% o un valore intermedio?
• Che cosa succede quando la dissipazione di potenza I²R è superiore a un valore basso, meno di un watt?
• Che dire del coefficiente termico della resistenza (TCR), che può andare da 1000 ppm/⁰C fino a pochi ppm/⁰C?
• E l'induttanza propria? Può essere irrilevante in un circuito c.c., ma è un grosso problema in un circuito che funziona a frequenze di decine o centinaia di kilohertz e oltre.
• Dovremmo utilizzare singoli resistori o un array che risparmia spazio e fornisce il tracciamento del coefficiente di temperatura? In tal caso però potrebbe essere necessario uno sbroglio delle piste più complesso.

Non vanno poi trascurati altri aspetti come l'affidabilità, la robustezza e le sollecitazioni:

• Quali condizioni operative interne ed esterne dovrà affrontare questo resistore nell'uso normale e magari talvolta anomalo?
• Questo componente è destinato all'impiego in ambito automotive per il quale deve rispettare le specifiche AEC-Q200 "Qualifica di test delle sollecitazioni per i componenti passivi"¹? In tal caso, qual è il grado di temperatura richiesto tra i cinque disponibili (0-4)?
• E cosa dire dei molti standard di affidabilità di livello militare come quelli citati in "Military Directives, Handbooks and Standards Related to Reliability"?²

Molte grandi aziende si avvalgono di specialisti detti "ingegneri dei componenti" la cui competenza consiste nel valutare l'idoneità di un componente selezionato per l'applicazione, spingendosi oltre le specifiche di primo livello. Spesso, questi ingegneri non godono del dovuto rispetto non essendo coinvolti nella parte "creativa" della progettazione e del debug. Tuttavia, se non si collabora con loro fin dall'inizio, potremmo dovercene pentire. Sono in grado di indicarvi possibili trappole: "Quando il prodotto sarà nell'applicazione pratica sul campo, hai preso in considerazione tutti gli aspetti? Sarà soggetto a temperatura estrema, umidità, vibrazioni, nebbia salina, ESD, EMI/RF...?" e così via.

Ad esempio, KOA Speer Electronics offre la famiglia RK73-RT di resistori in chip piatto (Figura 4). Non solo soddisfano le specifiche AEC-Q200, ma offrono anche caratteristiche antisolforazione grazie all'uso di un materiale per l'elettrodo interno superiore ad alta resistenza alla solforazione, un'eccellente resistenza al calore e agli agenti atmosferici grazie al film spesso di smalto metallico e un'alta stabilità e affidabilità con la loro struttura di elettrodi a triplo strato (Figura 5). È opportuno notare che non si tratta di un resistore "strano": infatti grazie alla sua classificazione AEC-Q200 e ad altri fattori, è una tipologia molto richiesta.

Figura 4: I resistori in chip piatto della famiglia RK73-RT di KOA Speer Electronics possono sembrare dei normali resistori, ma soddisfano anche le specifiche AEC-Q200 e garantiscono una notevole resistenza ai rischi ambientali (Immagine per gentile concessione di KOA Speer Electronics)

Figura 5: Le prestazioni dei resistori della famiglia RK73-RT di KOA Speer Electronics sono ottenute grazie una combinazione di materiali, design e tecniche di fabbricazione. (Immagine per gentile concessione di KOA Speer Electronics)

Se prevalgono scarse conoscenze e una certa supponenza, è facile cadere nell'errore di semplificare eccessivamente la selezione dei componenti. Anni fa, mentre lavoravo in un'azienda che produceva grandi sistemi di prova dei materiali con importanti aspetti di progettazione meccanica, un ingegnere meccanico espresse la sua preoccupazione per un potenziale problema a lungo termine in una delle travi strutturali. In risposta, uno dei nostri ingegneri elettrici disse scherzando: "Qual è il problema? Basta un'estrusione di alluminio per supportarla". L'ingegnere meccanico andò nel suo ufficio e tornò con un grosso libro che elencava ogni estrusione di alluminio standard con il suo profilo, la resistenza alla trazione, la fragilità, la resistenza alla corrosione e altri fattori. Gettò il libro sul tavolo e disse: "Pensaci tu! Se è così semplice, scegli tu quella giusta”.

Conclusione

La lezione qui è chiara: dietro ogni componente "apparentemente semplice" - anche un resistore di base - vi sono molte altre considerazioni. Per alcuni progetti, la specifica fondamentale è relativamente modesta per quanto riguarda la tolleranza, la potenza, le dimensioni e le condizioni operative, dove dovrebbe essere idoneo anche un resistore di base piuttosto semplice. Ma a parte questi casi, ci sono molte specifiche di secondo e terzo livello che possono determinare l'esito della valutazione dell'integrazione nella progettazione o, peggio ancora, sul campo.

Studiare è un buon modo per iniziare ad affrontare questo problema. Una ricerca porterà a molti articoli e note applicative su questi argomenti. Le note applicative del fornitore sono anche una risorsa preziosa e mentre alcune possono essere orientate verso le offerte del fornitore, un buon ingegnere dovrebbe essere in grado di selezionare ciò che ha più senso. Gli ingegneri che si occupano delle applicazioni presso i distributori sono anche un'ottima risorsa, in quanto hanno una visione allargata e forniscono prospettive di ampio respiro, oltre all'esperienza acquisita lavorando con una base di clienti diversi. Fermatevi, chiedete, guardate e ascoltate: avrete più possibilità di evitare problemi.

Riferimenti:

1 - http://www.aecouncil.com/Documents/AEC_Q200_Rev_D_Base_Document.pdf

2 - https://www.weibull.com/knowledge/milhdbk.htm