Materiales de construcción de resistencia.( fabricación de resitores ) El resistor o resistencia es el elemento circuital más simple y de mayor uso.

Transcripción

1 Laboratorio de Electróica Tema: Fabricació de resistores. Circuitos e paralelo y serie. Materiales de costrucció de resistecia.( fabricació de resitores ) El resistor o resistecia es el elemeto circuital más simple y de mayor uso. Se caracteriza porque su parámetro circuital más relevate es la propiedad que se cooce co el ombre de resistecia. Cuado los electroes pasa a través de u material, ocurre umerosas colisioes co la celosía o red de los átomos que forma la estructura cristalia del material. E promedio, este feómeo se opoe (o resiste) al movimieto de los electroes. Mietras mayor sea el úmero de colisioes, mayor será la resistecia que preseta el material a la circulació o paso de electroes. Estas colisioes o so elásticas, por lo que hay pérdida de eergía (desde el puto de vista de la eergía asociada co los electroes) e cada ua de ellas. La reducció de eergía por uidad de carga se iterpreta como caída de potecial a través del material. Desde el puto de vista de la resistividad, podemos ecotrar materiales coductores (o preseta igua oposició al paso de la corriete eléctrica), aislates (o permite el flujo de corriete), y resistivos (que preseta cierta resistecia). Detro de este último grupo se sitúa las resistecias. Es por esto que se fabrica u tipo de compoetes llamados resistores cuyo úico objeto es proporcioar e u pequeño tamaño ua determiada resistecia, especificada por el fabricate. Las resistecias so compoetes eléctricos pasivos e los que la tesió istatáea aplicada es proporcioal a la itesidad de corriete que circula por ellos. Su uidad de medida es el ohmio (). Se puede dividir e tres grupos: Resistecias lieales fijas: su valor de resistecia es costate y está predetermiado por el fabricate. Resistecias variables: su valor de resistecia puede variar detro de uos límites. Resistecias o lieales: su valor de resistecia varia de forma o lieal depediedo de distitas magitudes físicas (temperatura, lumiosidad, etc.). Resistecias Lieales Fijas Estos compoetes de dos termiales preseta u valor omial de resistecia costate (determiado por el fabricate), y u comportamieto lieal, se represeta por uo de estos símbolos: Clasificació De Resistecias Lieales La clasificació de estas resistecias se puede hacer e base a los materiales utilizados para su costrucció, básicamete mezclas de carbó o grafitos y materiales o aleacioes metálicas. Tambié se puede distiguir distitos tipos atediedo a características costructivas y geométricas. Ua clasificació sería la siguiete: DE CARBÓN: Aglomeradas y de capa. METÁLICAS: De capa, de película y bobiadas. 1

2 Resistecias De Carbó Es el tipo más utilizado y el material base e su costrucció es el carbó o grafito. So de pequeño tamaño y baja disipació de potecia. Segú el proceso de fabricació y su costitució itera, podemos distiguir: Resistecias Aglomeradas: Tambié se cooce co el ombre de "composició", debido a su costitució: ua mezcla de carbó, materia aislate, y resia aglomerate. Variado el porcetaje de estos compoetes se obtiee los distitos valores de resistecias. Etre sus características se puede destacar: Robustez mecáica y eléctrica (sobrecarga). Bajos coeficietes de tesió y temperatura. Elevado ivel de ruido. Cosiderables derivas. Resistecias de Capa de Carbó E este tipo de resistecias, la fabricació está basada e el deposito de la composició resistiva sobre u cuerpo tubular formado por materiales vítreos cerámicos. Como características más importates: Elevado coeficiete de temperatura. Soporta mal las sobrecargas. Ruido y coeficiete de tesió prácticamete ulos. Mayor precisió y meores derivas que las aglomeradas: Resistecias Metálicas Estas resistecias está costituidas por metales, óxidos y aleacioes metálicas como material base. Segú el proceso de fabricació y aplicació a la que se destia podemos distiguir: Resistecias De Capa Metálica Está costituidas por u soporte que puede ser de pirex, vidrio, cuarzo o porcelaa, sobre el que se deposita capas por reducció química para el caso de óxidos metálicos o por vaporizació al vacío para metales o aleacioes metálicas. Los óxidos más utilizados so de estaño, atimoio e idio, como metales y aleacioes de oro, platio, idio y paladio detro del grupo de metales preciosos. Estos compoetes tiee ua gra estabilidad y precisió y u bajo ivel de ruido por lo que suele ser utilizadas e aplicacioes exigetes. Etre sus caracteristicas más importates: Ragos reducidos de potecia y tesió. Estrechas toleracias y elevada estabilidad. Bajo coeficiete de temperatura y altas temperaturas de fucioamieto. Reducido ivel de ruido. Resistecias De Película Metálica La diferecia fudametal co las ateriores está e las técicas de fabricació utilizadas, mediate las cuales se ha coseguido itegrar redes de resistecias. Los materiales base usados e su fabricació y los cuerpos soporte so los característicos de las resistecias metálicas, a excepció de los óxidos metálicos. Detro de este tipo tambié podemos difereciar dos tipos: de película delgada y de película gruesa, difereciádose e las características costructivas. 2

3 Las pricipales vetajas de estas resistecias radica e su reducido tamaño, y sobretodo e la dispoibilidad de redes de resistecias como compoete itegrado. A pesar de su reducido marge de potecia, iferior a 1/2 W, las vetajas respecto a las resistecias discretas se puede resumir e: Costo meor para u mismo úmero de resistecias. Reducció del cableado, peso y espacio e el circuito. Toleracias más ajustadas. Características geerales de las uidades itegradas muy similares y valores omiales prácticamete idéticos. Posibilidad de obteció de valores óhmicos distitos e fució de la cofiguració itera y el úmero de resistecias itegradas. Esta última posibilidad está ligada al tipo de ecapsulado e que se preseta la red. E la práctica los más comues que se os preseta so: Tipo SIL, disposició de termiales e ua liea, usada tambié para alguos tipos de coectores. Tipo DIL, característica de los ecapsulados de circuitos itegrados. Resistecias Metálicas Bobiadas E este tipo se emplea como soportes úcleos cerámicos y vítreos, y como materiales resistivos metales o aleacioes e forma de hilos o citas de ua determiada resistividad, que so bobiados sobre los úcleos soporte. Geeralmete se suele hacer ua subdivisió de este tipo e bobiadas de potecia y bobiadas de precisió, segú la aplicació a la que se destia. Como características geerales se puede destacar las siguietes: Gra disipació de potecias y elevadas temperaturas de trabajo. Elevada precisió, variació co la temperatura y baja tesió de ruido. Cosiderables efectos iductivos. Costrucció robusta. Las resistecias bobiadas se puede icluir e alguos de los modelos comerciales siguietes: hilo descubierto, esmaltadas, vitrificadas o semetadas y aisladas. Resistecias Variables 3

4 Estas resistecias puede variar su valor óhmico detro de uos límites. Para ello se les ha añadido u tercer termial uido a u cotacto móvil que puede desplazarse sobre el elemeto resistivo proporcioado variacioes e el valor de la resistecia. Este tercer termial puede teer u desplazamieto agular (giratorio) o logitudial (deslizate). Segú su fució e el circuito, estas resistecias se deomia: Poteciómetros: se aplica e circuitos dode la variació de resistecia la efectúa el usuario desde el exterior (cotroles de audio, video, etc.). Trimmers, o resistecias ajustables: se diferecia de las ateriores e que su ajuste es defiitivo e el circuito dode va aplicadas. Su acceso está limitado al persoal técico (cotroles de gaacia, polarizació, etc.). Reóstatos: so resistecias variables e las que uo de sus termiales extremos está eléctricamete aulado. Tato e u poteciómetro como u trimmer, al dejar uos de sus termiales extremos al aire, su comportamieto será el de u reóstato, auque estos está diseñados para soportar grades corrietes. Clasificació de resistecias variables Los materiales usados para la fabricació de estas resistecias suele ser los mismos que los utilizados para las resistecias fijas, es decir, mezclas de carbó y grafito, metales y aleacioes metálicas. La diferecia fudametal, a parte de las aplicacioes, está e los aspectos costructivos. Tomado este criterio podemos hacer la siguiete clasificació: DE CAPA: Carbó, metálica y cermet. BOBINADAS: Pequeña disipació, potecia y precisió. Resistecias variables de capa Capa de carbó Está costituidas por carbó coloidal (egro de humo), mezclado e proporcioes adecuadas co baquelita y plastificates. Bajo estas características podemos ecotraros co: Poteciómetros de carbó: Valores de resistecias etre 50 y 10M óhmios. Toleracias del +/ 10% y +/ 20%. Potecias de hasta 2W. Formatos de desplazamieto giratorio y logitudial, co ecapsulado simple,doble resistecia o co iterruptor icorporado. Trimmers de carbó: Valores usuales etre 100 y 2M óhmios. Potecia de 0,25W. Pequeñas dimesioes y bajo costo. Capa Metálica Las capas de estos tipos de resistecias está formadas a base de mezclas de óxidos de estaño y atimoio depositadas sobre u soporte de vidrio geeralmete. El cursor, como e las de capa de carbó, suele ser de 4

5 aleacioes de cobre y oro o plata, tomado los termiales de salida e cotactos metalizados practicados sobre la capa, para ajustes desde el exterior, por lo que itegra el grupo de los poteciómetros. Como características importates: Bajas toleracias: +/ 5%, +/ 2%, +/ 1%. Potecias desde 0,25W a 4W. Muy bajo ruido de fodo. Buea liealidad:0,05%. Capa Tipo Cermet La capa está costituida por mezcla aglomerada de materiales vítreos y metales obles, depositada sobre u substrato de cerámica. Las pricipales aplicacioes so para ajustes por lo que cocluimos que perteece al grupo de los trimmers. Sus características pricipales: Valores desde 10 a 2M óhmios. Potecias etre 0,5 y 2W. Elevada precisió e modelos multivuelta. Muy buea liealidad y resolució. Resistecias variables bobiadas De pequeña disipació La costitució de este tipo de resistecias es muy parecida a la de las resistecias bobiadas fijas. Suele usar los mismos materiales, aleacioes Ni Cu para pequeños valores de resistecia, y Ni Cr para valores altos. Su pricipal aplicació es la limitació de corriete e circuitos serie, por lo que se puede deomiar reóstatos, auque la potecia que puede aguatar o es muy elevada, por lo que tambié los ecotraremos e aplicacioes como poteciómetros. Sus pricipales características: Valores desde 50 hasta 50K óhmios. Toleracias etre +/ 10% y +/ 5%. Potecia omial etre 0,5 y 8W. Ruido de fodo despreciable. Bobiadas De Potecia Se puede comparar a los modelos vitrificados de alta precisió de las resistecias fijas. Este tipo de resistecias so las que realmete se deomia reóstatos, capaces de disipar elevadas potecias aplicadas como limitadores de corriete. Etre sus características podemos destacar: Valores desde 1 a 2,5K óhmios para potecias de hasta 50W, hasta 5K óhmiospara 100W, y hasta 10K óhmios para 250W. Toleracias del +/ 10%, y +/ 5%. Potecias omiales etre 25W y 1KW. Máxima temperatura de fucioamieto e toro a los 200ºC. Bobiadas De Precisió E este tipo se usa aleacioes metálicas de pequeña resistividad (Au Ag) e lugar de aumetar el diámetro del hilo y así coseguir pequeños valores co reducidas dimesioes. Por sus aplicacioes, a este tipo se les suele deomiar trimmers bobiados. Sus características pricipales: Valores resistivos de 5 a 100K óhmios. Toleracias del +/ 5% y +/ 1%. Disipació de potecia de 0,75 a 1,5W. 5

6 Liealidad compredida etre +/ 1% y +/ 0,15%. Resolució del orde de 0,001. Modelos multivuelta y simples. Resistecias No Lieales Estas resistecias se caracteriza porque su valor óhmico, que varía de forma o lieal, es fució de distitas magitudes físicas como puede ser la temperatura, tesió, luz, campos magéticos, etc.. Así estas resistecias está cosideradas como sesores. Etre las más comues podemos destacar las siguietes: Termistores o resistecias NTC y PTC. E ellas la resistecia es fució de la temperatura. Varistores o resistecias VDR. E ellas la resistecia es fució de la tesió. Fotoresistecias o resistecias LDR. E estas últimas la resistecia es fució de la luz. Termistores E estas resistecias, cuyo valor óhmico cambia co la temperatura, además de las características típicas e resistecias lieales fijas como valor omial, potecia omial, toleracia, etc., que so similares para los termistores, hemos de destacar otras: Resistecia omial: es la resistecia que preseta a la temperatura ambiete (25 ). Autocaletamieto: este feómeo produce cambios e el valor de la resistecia al pasar ua corriete eléctrica a través de ella. Hemos de teer e cueta que tambié se puede producir por ua variació e la temperatura ambiete. Factor de disipació térmica: es la potecia ecesaria para elevar su temperatura e 1ºC. Detro de los termistores podemos destacar dos grupos: NTC y PTC. Resistecias NTC Esta resistecia se caracteriza por su dismiució del valor resistivo a medida que aumeta la temperatura, por tato preseta u coeficiete de temperatura egativo. Etre sus características se puede destacar: resistecia omial de 10 ohmios a 2M, potecias etre 1 microvatio y 35W, coeficiete de temperatura de 1 a 10% por ºC; y etre sus aplicacioes: regulació, compesació y medidas de temperaturas, estabilizació de tesió, alarmas, etc. Resistecias PTC Estas, se diferecia de las ateriores por el coeficiete de temperatura positivo, de forma que su resistecia aumetará como cosecuecia del aumeto de la temperatura (auque esto sólo se da e u marge de temperaturas). Varistores Estos dispositivos (tambié llamados VDR) experimeta ua dismiució e su valor óhmico de resistecia a medida que aumeta la tesió aplicada e sus extremos. A diferecia de lo que ocurre co las NTC y PTC la variació se produce de ua forma istatáea. Las aplicacioes más importates de este compoete se ecuetra e: protecció cotra sobretesioes, regulació de tesió y supresió de trasitorios. Fotoresistecias Estas resistecias, tambié coocidas como LDR, se caracteriza por su dismiució de resistecia a medida que aumeta la luz que icide sobre ellas. Las pricipales aplicacioes de estos compoetes está e cotroles de ilumiació, cotrol de circuitos co relés, e alarmas, etc Circuitos e paralelo y serie. Hay dos formas básicas de coectar resistecias: E serie y e paralelo. E 6

7 los próximos párrafos se aaliza cada uo de estos tipos de coexió y se determia la resistecia equivalete correspodiete. Resistecias e serie. Dos resistecias está coectadas e serie si se cumple las dos codicioes siguietes: U termial de cada elemeto está coectado a u odo comú. No hay igú otro elemeto coectado a dicho odo. Cuado dos resistecias está coectadas e serie, como las mostradas e la Figura 2.29, cumple las siguietes propiedades: La corriete que circula por ua de ellas es idética a la corriete que circula por la otra. El voltaje total etre los termiales de la coexió e serie es igual a la suma de los voltajes etre los termiales de cada ua de las resistecias. Coexió de Resistecias e serie. Tres o más resistecias se puede coectar e serie aplicado las codicioes expresadas ateriormete, tomado los elemetos de dos e dos. Para la coexió de tres o más resistecias e serie, se cumple las dos propiedades euciadas ateriormete. Cuado se tiee dos o más resistecias e serie, como se muestra e la Figura 2.30.a, es posible sustituir ese arreglo por ua resistecia equivalete como la de la Figura 2.30.b, esto es, ua resistecia que coectada e lugar del arreglo, matega el mismo voltaje etre sus termiales y que por ella circule la misma corriete que circulaba por el arreglo. Figura Resistecia equivalete de u arreglo de resistecias coectadas e serie. Para determiar el valor de la resistecia equivalete del cojuto de resistecias coectadas e serie es ecesario aplicar la LKV y la ley de Ohm. E el circuito de la Figura 2.30.a se cumple: 7

8 v0 = v1 + v2 + v3 = i0r1 + i0r2 + i0r3 = i0(r1 + R2 +R3) (2.86) Y e el circuito de la Figura 2.30.b se cumple: v0 = i0req (2.87) Por lo tato el valor de la resistecia equivalete es: Req = R1 + R2 +R3 (2.88) Si hay resistecias coectadas e serie, la expresió geeral de la resistecia equivalete es: Req = ð Ri (2.89) El valor de ua resistecia equivalete serie es siempre mayor que la resistecia del compoete de valor más elevado. La potecia disipada por cada resistecia del arreglo está dada por la siguiete expresió: PR i = i0 2 Ri Por lo tato la resistecia de mayor valor omial disipa más potecia. La potecia total disipada por el arreglo de resistecias e serie está dada por la ecuació: PR T = ð PR i = i0 2 ð Ri = i0 2 Req (2.90) De esta relació se cocluye que la potecia disipada por el arreglo de 8

9 resistecias e serie es igual a la disipada por la resistecia equivalete. Resistecias e Paralelo: Se dice que dos resistecias está coectadas e paralelo si se cumple las dos codicioes siguietes: 53 U termial de cada elemeto esta coectado a u odo comú. El segudo termial de cada elemeto esta coectado a otro odo comú. Cuado dos resistecias está coectadas e paralelo, como las mostradas e la Figura 2.31, cumple las siguietes propiedades: El voltaje aplicado a cada ua de ellas es el mismo. La corriete total del arreglo es igual a la suma de las corrietes que circula por cada resistecia. Coexió de Resistecias e paralelo. Tres o más resistecias se puede coectar e paralelo aplicado las codicioes expresadas ateriormete. Para la coexió de tres o más resistecias e paralelo, se cumple las dos propiedades euciadas ateriormete. Cuado se tiee dos o más resistecias e paralelo, como se muestra e la Figura 2.32.a, es posible sustituir ese arreglo por ua resistecia equivalete como la de la Figura 2.32.b, esto es, ua resistecia que coectada e lugar del arreglo, matega el mismo voltaje etre sus termiales y que por ella circule la misma corriete que circulaba por el arreglo. Figura Resistecia equivalete de u arreglo de resistecias coectadas e paralelo. Para determiar el valor de la resistecia equivalete del cojuto de resistecias coectadas e paralelo es ecesario aplicar la LKC y la Ley de Ohm, 9

10 además de utilizar el cocepto de coductacia. E el circuito de la Figura 2.32.a se cumple: i0 = v0 R1 + v0 R2 + v0 R3 = v0( 1 R1 + 1 R2 + 1 R3 ) = v0(g1 + G2 + G3) (2.91) Y e el circuito de la Figura 2.32.b se cumple: i0 = v0geq (2.92) Por lo tato el valor de la coductacia equivalete es: Geq = G1 + G2 + G3 (2.93) Si hay resistecias coectadas e paralelo, la expresió geeral de la coductacia equivalete es: Geq = ð Gi (2.94) El valor de la coductacia equivalete de u arreglo de resistecias coectadas e paralelo es siempre mayor que la coductacia del compoete de valor más elevado, por lo tato la resistecia equivalete de dicho arreglo es meor que la meor de las resistecias del arreglo. Cuado solo hay dos resistecias coectadas e paralelo, la resistecia equivalete puede calcularse utilizado la siguiete relació: Req = 1 10

11 1 R1 + 1 R2 = 1 R1 + R2 R1 R2 = R1 R2 R1 + R2 (2.95) Si el úmero de resistecias e paralelo es tres o más, es preferible utilizar la expresió (2.94) para calcular la resistecia equivalete. La potecia disipada por cada resistecia del arreglo está dada por la siguiete expresió: PR i = v0 2 Gi = v0 2 1 Ri (2.96) Por lo tato la resistecia de meor valor omial disipa más potecia. La potecia total disipada por el arreglo de resistecias e paralelo está dada por la ecuació: PR T = ð PR i = v0 2 ð Gi = i0 2 Geq (2.97) De esta relació se cocluye que la potecia disipada por el arreglo de resistecias e paralelo es igual a la disipada por la resistecia equivalete. 55 Por lo tato la resistecia de meor valor omial disipa más potecia. La 11

12 potecia total disipada por el arreglo de resistecias e paralelo está dada por la ecuació: PR T = ð PR i = v0 2 ð Gi = i0 2 Geq (2.97) De esta relació se cocluye que la potecia disipada por el arreglo de resistecias e paralelo es igual a la disipada por la resistecia equivalete. Red Escalera. La red escalera es ua cofiguració frecuetemete utilizada e circuitos eléctricos y electróicos. Su estructura es la mostrada e la Figura Figura Red Escalera. Para hallar la resistecia equivalete Req se procede de la siguiete forma:tal como se puede observar e la Figura 2.33, la resistecia R5 está e serie co la resistecia R6, por lo que se puede calcular la resistecia equivalete Req1 mostrada e la Figura 3.34.a utilizado la expresió: Req1 = R5 + R6 (2.98) Dicha resistecia equivalete está e paralelo co la resistecia R4, por lo tato la resistecia equivalete Req2 idicada e la Figura 2.34.b está dada por la ecuació: R eq2 = R4 Req1 R4 + Req1 (2.99) 56 Figura Cálculo de la Resistecia equivalete de ua Red Escalera. 12

13 Segú se puede observar e la Figura 2.34.b, la resistecia Req2 está e serie co la resistecia R3, por lo tato, la resistecia Req3 mostrada e la Figura 2.34.c está dada por la ecuació: Req3 = R3 + Req2 (2.100) La resistecia Req3 está e paralelo co R2, por lo que Req4 de la Figura 2.34.d es igual a: 56 Figura Cálculo de la Resistecia equivalete de ua Red Escalera. Segú se puede observar e la Figura 2.34.b, la resistecia Req2 está e serie co la resistecia R3, por lo tato, la resistecia Req3 mostrada e la Figura 2.34.c está dada por la ecuació: Req3 = R3 + Req2 (2.100) La resistecia Req3 está e paralelo co R2, por lo que Req4 de la Figura 2.34.d es igual a: R eq4 = R2 Req3 R2 + Req3 (2.101) Fialmete, la resistecia equivalete total, mostrada e la Figura 2.34.e es el equivalete de las resistecias R1 y Req4 coectadas e serie, y por lo tato está dada por la ecuació: Req = R1 + Req4 Bibliografía