Un resistor es un componente eléctrico pasivo de dos terminales que implementa la resistencia eléctrica como un elemento de circuito. En los circuitos electrónicos, los resistores se utilizan para reducir el flujo de corriente, ajustar los niveles de señal, dividir voltajes , polarizar elementos activos y terminar líneas de transmisión , entre otros usos. Los resistores de alta potencia que pueden disipar muchos vatios de energía eléctrica en forma de calor se pueden utilizar como parte de los controles de motores, en sistemas de distribución de energía o como cargas de prueba para generadores . Los resistores fijos tienen resistencias que solo cambian ligeramente con la temperatura, el tiempo o el voltaje de funcionamiento. Los resistores variables se pueden utilizar para ajustar elementos del circuito (como un control de volumen o un atenuador de lámpara) o como dispositivos de detección de calor, luz, humedad, fuerza o actividad química.
Las resistencias son elementos comunes de las redes eléctricas y los circuitos electrónicos y están presentes en todos los equipos electrónicos . Las resistencias prácticas, como componentes discretos, pueden estar compuestas por diversos compuestos y formas. Las resistencias también se utilizan en circuitos integrados .
La función eléctrica de un resistor se especifica por su resistencia: los resistores comerciales comunes se fabrican en un rango de más de nueve órdenes de magnitud . El valor nominal de la resistencia se encuentra dentro de la tolerancia de fabricación , indicada en el componente.
Dos símbolos típicos de diagramas esquemáticos son los siguientes:
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La notación para indicar el valor de una resistencia en un diagrama de circuito varía.
Un esquema común es el código RKM que sigue la norma IEC 60062. En lugar de utilizar un separador decimal , esta notación utiliza una letra asociada vagamente con los prefijos del SI que corresponden a la resistencia de la pieza. Por ejemplo, 8K2 como código de marcado de piezas, en un diagrama de circuito o en una lista de materiales (BOM) indica un valor de resistencia de 8,2 kΩ. Los ceros adicionales implican una tolerancia más estricta, por ejemplo, 15M0 para tres dígitos significativos. Cuando el valor se puede expresar sin la necesidad de un prefijo (es decir, multiplicador 1), se utiliza una "R" en lugar del separador decimal. Por ejemplo, 1R2 indica 1,2 Ω y 18R indica 18 Ω.
Una resistencia ideal (es decir, una resistencia sin reactancia ) obedece la ley de Ohm :
La ley de Ohm establece que el voltaje ( ) a través de una resistencia es proporcional a la corriente ( ) que pasa a través de ella, donde la constante de proporcionalidad es la resistencia ( ). Por ejemplo, si se conecta una resistencia de 300 ohmios a los terminales de una batería de 12 voltios, entonces fluye una corriente de 12 / 300 = 0,04 amperios a través de esa resistencia.
El ohmio (símbolo: Ω ) es la unidad de resistencia eléctrica del SI , llamada así por Georg Simon Ohm . Un ohmio es equivalente a un voltio por amperio . Dado que las resistencias se especifican y fabrican en un rango muy amplio de valores, las unidades derivadas de miliohmio (1 mΩ = 10 −3 Ω), kiloohmio (1 kΩ = 10 3 Ω) y megaohmio (1 MΩ = 10 6 Ω) también son de uso común. [2] [3] : p.20
La resistencia total de las resistencias conectadas en serie es la suma de sus valores de resistencia individuales.
La resistencia total de los resistores conectados en paralelo es el recíproco de la suma de los recíprocos de los resistores individuales. [3] : p.20ff
Por ejemplo, una resistencia de 10 ohmios conectada en paralelo con una resistencia de 5 ohmios y una resistencia de 15 ohmios produce 1/1/10 + 1/5 + 1/15 ohmios de resistencia, o 30/11 = 2,727 ohmios.
Una red de resistencias que es una combinación de conexiones en paralelo y en serie se puede dividir en partes más pequeñas que son una u otra. Algunas redes complejas de resistencias no se pueden resolver de esta manera, lo que requiere un análisis de circuitos más sofisticado. En general, se pueden utilizar la transformada Y-Δ o los métodos matriciales para resolver dichos problemas. [4] [5] [6]
En cualquier instante, la potencia P (vatios) consumida por una resistencia de resistencia R (ohmios) se calcula como: donde V (voltios) es el voltaje a través de la resistencia e I (amperios) es la corriente que fluye a través de ella. Utilizando la ley de Ohm , se pueden derivar las otras dos formas. Esta potencia se convierte en calor que debe ser disipado por el paquete de la resistencia antes de que su temperatura aumente excesivamente. [3] : p.22
Las resistencias se clasifican según su potencia máxima de disipación. Las resistencias discretas en sistemas electrónicos de estado sólido suelen tener una potencia nominal de 1 ⁄ 10 , 1 ⁄ 8 o 1 ⁄ 4 vatio. Suelen absorber mucho menos de un vatio de potencia eléctrica y requieren poca atención a su potencia nominal.
Las resistencias de potencia son necesarias para disipar cantidades importantes de potencia y se utilizan normalmente en fuentes de alimentación, circuitos de conversión de potencia y amplificadores de potencia; esta designación se aplica de forma imprecisa a las resistencias con potencias nominales de 1 vatio o más. Las resistencias de potencia son físicamente más grandes y es posible que no utilicen los valores, códigos de color y paquetes externos preferidos que se describen a continuación.
Si la potencia promedio disipada por una resistencia es mayor que su potencia nominal, la resistencia puede dañarse, alterando permanentemente su resistencia; esto es distinto del cambio reversible en la resistencia debido a su coeficiente de temperatura cuando se calienta. La disipación excesiva de potencia puede elevar la temperatura de la resistencia hasta un punto en el que puede quemar la placa de circuito o los componentes adyacentes, o incluso provocar un incendio. Hay resistencias ignífugas que no producirán llamas con ninguna sobrecarga de cualquier duración.
Se pueden especificar resistencias con una disipación nominal más alta que la experimentada en servicio para tener en cuenta la mala circulación del aire, la gran altitud o la alta temperatura de funcionamiento .
Todas las resistencias tienen un voltaje nominal máximo; esto puede limitar la disipación de potencia para valores de resistencia más altos. [7] Por ejemplo, entre las resistencias de 1 ⁄ 4 vatio (un tipo muy común de resistencia con cables ), una figura con una resistencia de 100 MΩ [8] y un voltaje nominal máximo de 750 V. Sin embargo, incluso colocar 750 V a través de una resistencia de 100 MΩ de forma continua solo daría como resultado una disipación de potencia de menos de 6 mW, lo que hace que la clasificación nominal de 1 ⁄ 4 vatio no tenga sentido.
Las resistencias prácticas tienen una inductancia en serie y una pequeña capacitancia en paralelo ; estas especificaciones pueden ser importantes en aplicaciones de alta frecuencia. Y si bien incluso una resistencia ideal tiene inherentemente ruido de Johnson , algunas resistencias tienen peores características de ruido y, por lo tanto, pueden ser un problema para amplificadores de bajo ruido u otros dispositivos electrónicos sensibles .
En algunas aplicaciones de precisión, el coeficiente de temperatura de la resistencia también puede ser motivo de preocupación.
La inductancia no deseada, el exceso de ruido y el coeficiente de temperatura dependen principalmente de la tecnología utilizada en la fabricación del resistor. Normalmente, no se especifican individualmente para una familia particular de resistores fabricados utilizando una tecnología particular. [9] Una familia de resistores discretos también puede caracterizarse según su factor de forma, es decir, el tamaño del dispositivo y la posición de sus cables (o terminales). Esto es relevante en la fabricación práctica de circuitos que pueden usarlos.
Las resistencias prácticas también se especifican con una potencia nominal máxima que debe superar la disipación de potencia prevista de esa resistencia en un circuito particular: esto es principalmente una preocupación en aplicaciones de electrónica de potencia. Las resistencias con potencias nominales más altas son físicamente más grandes y pueden requerir disipadores de calor . En un circuito de alto voltaje, a veces se debe prestar atención al voltaje de trabajo máximo nominal de la resistencia. Si bien no existe un voltaje de trabajo mínimo para una resistencia determinada, no tener en cuenta la potencia nominal máxima de una resistencia puede hacer que la resistencia se incinere cuando pasa corriente a través de ella.
Los componentes de orificio pasante suelen tener "conductores" (pronunciados / l iː d z / ) que salen del cuerpo "axialmente", es decir, en una línea paralela al eje más largo de la pieza. Otros tienen conductores que salen del cuerpo "radialmente", en cambio. Otros componentes pueden ser SMT (tecnología de montaje superficial), mientras que las resistencias de alta potencia pueden tener uno de sus conductores diseñado dentro del disipador de calor .
Las resistencias de composición de carbono (CCR) consisten en un elemento resistivo cilíndrico sólido con cables conductores incrustados o tapas metálicas en los extremos a las que se unen los cables conductores. El cuerpo de la resistencia está protegido con pintura o plástico. Las resistencias de composición de carbono de principios del siglo XX tenían cuerpos sin aislamiento; los cables conductores se envolvían alrededor de los extremos de la varilla del elemento de resistencia y se soldaban. La resistencia terminada se pintaba para codificar por colores su valor.
El elemento resistivo en las resistencias de composición de carbono está hecho de una mezcla de carbono finamente pulverizado y un material aislante, normalmente cerámica. Una resina mantiene unida la mezcla. La resistencia está determinada por la relación del material de relleno (la cerámica en polvo) con el carbono. Las concentraciones más altas de carbono, que es un buen conductor, dan como resultado resistencias más bajas. Las resistencias de composición de carbono se usaban comúnmente en la década de 1960 y antes, pero ahora no son populares para el uso general, ya que otros tipos tienen mejores especificaciones, como tolerancia, dependencia de voltaje y tensión. Las resistencias de composición de carbono cambian de valor cuando se estresan con sobretensiones. Además, si el contenido de humedad interna, como por ejemplo por exposición durante un tiempo prolongado a un ambiente húmedo, es significativo, el calor de soldadura crea un cambio irreversible en el valor de la resistencia. Las resistencias de composición de carbono tienen poca estabilidad con el tiempo y, en consecuencia, se clasificaron de fábrica con, en el mejor de los casos, solo un 5% de tolerancia. [10] Estas resistencias no son inductivas, lo que proporciona beneficios cuando se usan en aplicaciones de reducción de pulsos de voltaje y protección contra sobretensiones. [11] Las resistencias de composición de carbono tienen una mayor capacidad para soportar sobrecarga en relación con el tamaño del componente. [12]
Las resistencias de composición de carbono todavía están disponibles, pero son relativamente caras. Los valores varían desde fracciones de ohmio hasta 22 megaohmios. Debido a su alto precio, estas resistencias ya no se utilizan en la mayoría de las aplicaciones. Sin embargo, se utilizan en fuentes de alimentación y controles de soldadura. [12] También se demandan para la reparación de equipos electrónicos antiguos donde la autenticidad es un factor.
Una resistencia de pila de carbón está hecha de una pila de discos de carbón comprimidos entre dos placas de contacto de metal. Ajustar la presión de sujeción cambia la resistencia entre las placas. Estas resistencias se utilizan cuando se requiere una carga ajustable, como en la prueba de baterías de automóviles o transmisores de radio. Una resistencia de pila de carbón también se puede utilizar como un control de velocidad para motores pequeños en electrodomésticos (máquinas de coser, batidoras de mano) con clasificaciones de hasta unos pocos cientos de vatios. [13] Una resistencia de pila de carbón se puede incorporar en reguladores de voltaje automáticos para generadores, donde la pila de carbón controla la corriente de campo para mantener un voltaje relativamente constante. [14] Este principio también se aplica en el micrófono de carbón .
En la fabricación de resistencias de película de carbono, se deposita una película de carbono sobre un sustrato aislante y se corta una hélice en ella para crear un camino resistivo largo y estrecho. Las formas variables, junto con la resistividad del carbono amorfo (que varía de 500 a 800 μΩ m), pueden proporcionar una amplia gama de valores de resistencia. Las resistencias de película de carbono presentan un menor ruido en comparación con las resistencias de composición de carbono debido a la distribución precisa del grafito puro sin unión. [15] Las resistencias de película de carbono presentan un rango de potencia nominal de 0,125 W a 5 W a 70 °C. Las resistencias disponibles varían de 1 ohmio a 10 megaohmio. La resistencia de película de carbono tiene un rango de temperatura de funcionamiento de −55 °C a 155 °C. Tiene un rango de voltaje de trabajo máximo de 200 a 600 voltios. Las resistencias de película de carbono especiales se utilizan en aplicaciones que requieren una alta estabilidad de pulso. [12]
Las resistencias de composición de carbono se pueden imprimir directamente sobre sustratos de placas de circuito impreso (PCB) como parte del proceso de fabricación de PCB. Aunque esta técnica es más común en módulos de PCB híbridos, también se puede utilizar en PCB de fibra de vidrio estándar. Las tolerancias suelen ser bastante grandes y pueden ser del orden del 30 %. Una aplicación típica serían las resistencias pull-up no críticas .
Las resistencias de película gruesa se hicieron populares durante la década de 1970, y la mayoría de las resistencias SMD (dispositivos de montaje superficial) actuales son de este tipo. El elemento resistivo de las películas gruesas es 1000 veces más grueso que el de las películas delgadas, [16] pero la principal diferencia es cómo se aplica la película al cilindro (resistencias axiales) o a la superficie (resistencias SMD).
Las resistencias de película delgada se fabrican mediante pulverización catódica (un método de deposición al vacío ) del material resistivo sobre un sustrato aislante. Luego, la película se graba de manera similar al antiguo proceso (sustractivo) para fabricar placas de circuitos impresos; es decir, la superficie se recubre con un material fotosensible , se cubre con una película de patrón, se irradia con luz ultravioleta y luego se revela el revestimiento fotosensible expuesto y se elimina la película delgada subyacente.
Las resistencias de película gruesa se fabrican mediante procesos de serigrafía y impresión con plantilla. [12]
Debido a que se puede controlar el tiempo durante el cual se realiza la pulverización catódica, se puede controlar con precisión el espesor de la película delgada. El tipo de material también varía, y consta de uno o más conductores cerámicos ( cermet ), como nitruro de tantalio (TaN), óxido de rutenio ( RuO
2), óxido de plomo (PbO), rutenato de bismuto ( Bi
2Ru
2Oh
7), cromo níquel (NiCr) o iridato de bismuto ( Bi
2Ir
2Oh
7).
La resistencia de las resistencias de película fina y gruesa después de la fabricación no es muy precisa; por lo general, se recortan a un valor preciso mediante recorte abrasivo o láser . Las resistencias de película fina generalmente se especifican con tolerancias del 1% y el 5%, y con coeficientes de temperatura de 5 a 50 ppm/K . También tienen niveles de ruido mucho más bajos , del orden de 10 a 100 veces menos que las resistencias de película gruesa. [17] Las resistencias de película gruesa pueden usar la misma cerámica conductora, pero se mezclan con vidrio sinterizado (en polvo) y un líquido portador para que el compuesto pueda serigrafiarse . Luego, este compuesto de vidrio y material cerámico conductor (cermet) se fusiona (se cuece) en un horno a aproximadamente 850 °C.
Cuando se fabricaron por primera vez, las resistencias de película gruesa tenían tolerancias del 5%, pero las tolerancias estándar han mejorado al 2% o 1% en las últimas décadas. [ ¿ período de tiempo? ] Los coeficientes de temperatura de las resistencias de película gruesa son típicamente ±200 o ±250 ppm/K; un cambio de temperatura de 40 kelvin (70 °F) puede cambiar la resistencia en un 1%.
Las resistencias de película fina suelen ser mucho más caras que las de película gruesa. Por ejemplo, las resistencias de película fina SMD, con tolerancias del 0,5 % y coeficientes de temperatura de 25 ppm/K, cuando se compran en rollos de tamaño completo, cuestan aproximadamente el doble que las resistencias de película gruesa del 1 %, 250 ppm/K.
Un tipo común de resistencia con conductores axiales en la actualidad es la resistencia de película metálica. Las resistencias de electrodo metálico sin conductores ( MELF ) suelen utilizar la misma tecnología.
Las resistencias de película metálica suelen estar recubiertas de níquel cromo (NiCr), pero pueden estar recubiertas con cualquiera de los materiales cermet enumerados anteriormente para las resistencias de película fina. A diferencia de las resistencias de película fina, el material se puede aplicar utilizando técnicas diferentes a la pulverización catódica (aunque esta es una de las técnicas utilizadas). El valor de la resistencia se determina cortando una hélice a través del revestimiento en lugar de mediante grabado, de forma similar a la forma en que se fabrican las resistencias de carbono. El resultado es una tolerancia razonable (0,5 %, 1 % o 2 %) y un coeficiente de temperatura que generalmente está entre 50 y 100 ppm/K. [18] Las resistencias de película metálica poseen buenas características de ruido y baja no linealidad debido a un coeficiente de voltaje bajo. También son beneficiosas debido a la estabilidad a largo plazo. [12]
Las resistencias de película de óxido metálico están hechas de óxidos metálicos, lo que da como resultado una temperatura de funcionamiento más alta y una mayor estabilidad y confiabilidad que las de película metálica. Se utilizan en aplicaciones con altas demandas de resistencia.
Las resistencias bobinadas se fabrican comúnmente enrollando un alambre de metal, generalmente nicromo , alrededor de un núcleo de cerámica, plástico o fibra de vidrio. Los extremos del alambre se sueldan o se sueldan a dos tapas o anillos, unidos a los extremos del núcleo. El conjunto se protege con una capa de pintura, plástico moldeado o un revestimiento de esmalte horneado a alta temperatura. Estas resistencias están diseñadas para soportar temperaturas inusualmente altas de hasta 450 °C. [12] Los cables conductores en las resistencias bobinadas de baja potencia suelen tener entre 0,6 y 0,8 mm de diámetro y están estañados para facilitar la soldadura. Para las resistencias bobinadas de mayor potencia, se utiliza una carcasa exterior de cerámica o una carcasa exterior de aluminio sobre una capa aislante. Si la carcasa exterior es de cerámica, estas resistencias a veces se describen como resistencias de "cemento", aunque en realidad no contienen ningún cemento tradicional . Los tipos con carcasa de aluminio están diseñados para fijarse a un disipador de calor para disipar el calor; La potencia nominal depende de que se utilice con un disipador de calor adecuado, por ejemplo, una resistencia con una potencia nominal de 50 W se sobrecalienta a una fracción de la disipación de potencia si no se utiliza con un disipador de calor. Las resistencias bobinadas de gran tamaño pueden tener una potencia nominal de 1000 vatios o más.
Debido a que las resistencias bobinadas tienen una inductancia más indeseable que otros tipos de resistencias. Sin embargo, enrollar el cable en secciones con dirección invertida alternativamente puede minimizar la inductancia. Otras técnicas emplean un bobinado bifilar o un formador delgado y plano (para reducir el área de la sección transversal de la bobina). Para los circuitos más exigentes, se utilizan resistencias con bobinado Ayrton-Perry .
Las aplicaciones de las resistencias bobinadas son similares a las de las resistencias compuestas, con la excepción de las aplicaciones de alta frecuencia. La respuesta de alta frecuencia de las resistencias bobinadas es sustancialmente peor que la de una resistencia compuesta. [12]
En 1960, Felix Zandman y Sidney J. Stein [19] presentaron un desarrollo de película de resistencia de muy alta estabilidad.
El elemento de resistencia principal de una resistencia de lámina es una lámina de aleación de cromo-níquel de varios micrómetros de espesor. Las aleaciones de cromo-níquel se caracterizan por tener una gran resistencia eléctrica (aproximadamente 58 veces la del cobre), un coeficiente de temperatura pequeño y una alta resistencia a la oxidación. Algunos ejemplos son el cromel A y el nicromo V, cuya composición típica es 80 Ni y 20 Cr, con un punto de fusión de 1420 °C. Cuando se añade hierro, la aleación de cromo-níquel se vuelve más dúctil. El nicromo y el cromel C son ejemplos de una aleación que contiene hierro. La composición típica del nicromo es 60 Ni, 12 Cr, 26 Fe, 2 Mn y la del cromel C, 64 Ni, 11 Cr, Fe 25. La temperatura de fusión de estas aleaciones es 1350 °C y 1390 °C, respectivamente. [20] [ cita completa requerida ]
Desde su introducción en la década de 1960, las resistencias de lámina han tenido la mejor precisión y estabilidad de todas las resistencias disponibles. Uno de los parámetros importantes de estabilidad es el coeficiente de temperatura de resistencia (TCR). El TCR de las resistencias de lámina es extremadamente bajo y se ha mejorado aún más con el paso de los años. Una gama de resistencias de lámina de ultraprecisión ofrece un TCR de 0,14 ppm/°C, tolerancia ±0,005%, estabilidad a largo plazo (1 año) 25 ppm, (3 años) 50 ppm (mejorada 5 veces más por sellado hermético), estabilidad bajo carga (2000 horas) 0,03%, EMF térmica 0,1 μV/°C, ruido −42 dB, coeficiente de voltaje 0,1 ppm/V, inductancia 0,08 μH, capacitancia 0,5 pF. [21]
La estabilidad térmica de este tipo de resistencia también tiene que ver con los efectos opuestos de la resistencia eléctrica del metal que aumenta con la temperatura y se reduce por la expansión térmica que conduce a un aumento en el espesor de la lámina, cuyas otras dimensiones están limitadas por un sustrato cerámico. [ cita requerida ]
Un shunt de amperímetro es un tipo especial de resistencia de detección de corriente, que tiene cuatro terminales y un valor en miliohmios o incluso microohmios. Los instrumentos de medición de corriente, por sí solos, generalmente solo pueden aceptar corrientes limitadas. Para medir corrientes altas, la corriente pasa a través del shunt a través del cual se mide la caída de voltaje e interpreta como corriente. Un shunt típico consta de dos bloques de metal sólido, a veces de latón, montados sobre una base aislante. Entre los bloques, y soldados o unidos con soldadura fuerte a ellos, hay una o más tiras de aleación de manganina con un coeficiente de resistencia de temperatura bajo (TCR) . Los pernos grandes roscados en los bloques hacen las conexiones de corriente, mientras que tornillos mucho más pequeños proporcionan conexiones de voltímetro. Los shunts se clasifican por corriente de escala completa y, a menudo, tienen una caída de voltaje de 50 mV a la corriente nominal. Estos medidores se adaptan a la clasificación de corriente completa del shunt mediante el uso de una esfera marcada adecuadamente; no es necesario realizar cambios en las otras partes del medidor.
En aplicaciones industriales de alta corriente y alta resistencia, una resistencia de rejilla es una gran red enfriada por convección de tiras de aleación de metal estampadas conectadas en filas entre dos electrodos. Estas resistencias de grado industrial pueden ser tan grandes como un refrigerador; algunos diseños pueden manejar más de 500 amperios de corriente, con un rango de resistencias que se extiende por debajo de 0,04 ohmios. Se utilizan en aplicaciones como frenado dinámico y bancos de carga para locomotoras y tranvías, conexión a tierra de neutro para distribución de CA industrial, cargas de control para grúas y equipo pesado, pruebas de carga de generadores y filtrado de armónicos para subestaciones eléctricas. [22]
El término resistencia de rejilla se utiliza a veces para describir una resistencia de cualquier tipo conectada a la rejilla de control de un tubo de vacío . No se trata de una tecnología de resistencias, sino de una topología de circuito electrónico.
Una resistencia puede tener uno o más puntos de toma fijos, de modo que la resistencia se puede modificar moviendo los cables de conexión a diferentes terminales. Algunas resistencias de potencia bobinadas tienen un punto de toma que se puede deslizar a lo largo del elemento de resistencia, lo que permite utilizar una parte mayor o menor de la resistencia.
Cuando se requiere un ajuste continuo del valor de resistencia durante el funcionamiento del equipo, el regulador de resistencia deslizante se puede conectar a una perilla accesible al operador. Este dispositivo se denomina reóstato y tiene dos terminales.
Un potenciómetro (coloquialmente, pot ) es una resistencia de tres terminales con un punto de toma continuamente ajustable controlado por la rotación de un eje o perilla o por un deslizador lineal. [23] El nombre potenciómetro proviene de su función como divisor de voltaje ajustable para proporcionar un potencial variable en el terminal conectado al punto de toma. El control de volumen en un dispositivo de audio es una aplicación común de un potenciómetro. Un potenciómetro de baja potencia típico (ver dibujo) está construido de un elemento de resistencia plano (B) de composición de carbono, película de metal o plástico conductor, con un contacto de limpiador de bronce fosforoso elástico (C) que se mueve a lo largo de la superficie. Una construcción alternativa es un alambre de resistencia enrollado en una forma, con el limpiador deslizándose axialmente a lo largo de la bobina. [23] Estos tienen una resolución más baja, ya que a medida que el limpiador se mueve, la resistencia cambia en pasos iguales a la resistencia de una sola vuelta. [23]
Los potenciómetros multivuelta de alta resolución se utilizan en aplicaciones de precisión. Estos tienen elementos de resistencia enrollados en alambre, generalmente enrollados en un mandril helicoidal, con el limpiador moviéndose en una pista helicoidal a medida que se gira el control, haciendo contacto continuo con el alambre. Algunos incluyen un revestimiento de resistencia de plástico conductor sobre el alambre para mejorar la resolución. Estos suelen ofrecer diez vueltas de sus ejes para cubrir su rango completo. Por lo general, se configuran con diales que incluyen un contador de vueltas simple y un dial graduado, y generalmente pueden alcanzar una resolución de tres dígitos. Las computadoras analógicas electrónicas los usaron en cantidad para configurar coeficientes y los osciloscopios de barrido retardado de las últimas décadas incluyeron uno en sus paneles.
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Una caja de décadas de resistencia o caja de sustitución de resistencias es una unidad que contiene resistencias de muchos valores, con uno o más interruptores mecánicos que permiten ajustar cualquiera de las diversas resistencias discretas que ofrece la caja. Por lo general, la resistencia es precisa y tiene una alta precisión, que va desde una precisión de grado de laboratorio/calibración de 20 partes por millón hasta una precisión de grado de campo del 1%. También hay disponibles cajas económicas con menor precisión. Todos los tipos ofrecen una forma conveniente de seleccionar y cambiar rápidamente una resistencia en el trabajo de laboratorio, experimental y de desarrollo sin necesidad de colocar resistencias una por una, o incluso almacenar cada valor. El rango de resistencia proporcionado, la resolución máxima y la precisión caracterizan la caja. Por ejemplo, una caja ofrece resistencias de 0 a 100 megaohmios, resolución máxima de 0,1 ohmio, precisión del 0,1%. [24]
Existen varios dispositivos cuya resistencia cambia con distintas cantidades. La resistencia de los termistores NTC presenta un coeficiente de temperatura negativo fuerte, lo que los hace útiles para medir temperaturas. Dado que su resistencia puede ser grande hasta que se les permite calentarse debido al paso de la corriente, también se utilizan comúnmente para evitar picos de corriente excesivos cuando se enciende el equipo. De manera similar, la resistencia de un humistor varía con la humedad. Un tipo de fotodetector, el fotoresistor , tiene una resistencia que varía con la iluminación.
El extensómetro , inventado por Edward E. Simmons y Arthur C. Ruge en 1938, es un tipo de resistencia que cambia de valor con la tensión aplicada. Se puede utilizar una sola resistencia, un par (medio puente) o cuatro resistencias conectadas en una configuración de puente de Wheatstone . La resistencia de tensión se adhiere con adhesivo a un objeto que está sometido a tensión mecánica . Con el extensómetro y un filtro, amplificador y convertidor analógico/digital, se puede medir la tensión de un objeto.
Una invención relacionada, pero más reciente, utiliza un compuesto de efecto túnel cuántico para detectar la tensión mecánica. Pasa una corriente cuya magnitud puede variar en un factor de 10 12 en respuesta a los cambios en la presión aplicada.
El valor de una resistencia se puede medir con un ohmímetro , que puede ser una de las funciones de un multímetro . Por lo general, las sondas en los extremos de los cables de prueba se conectan a la resistencia. Un ohmímetro simple puede aplicar un voltaje de una batería a través de la resistencia desconocida (con una resistencia interna de un valor conocido en serie) produciendo una corriente que impulsa un movimiento del medidor . La corriente, de acuerdo con la ley de Ohm , es inversamente proporcional a la suma de la resistencia interna y la resistencia que se está probando, lo que da como resultado una escala de medidor analógico que es muy no lineal, calibrada desde infinito hasta 0 ohmios. Un multímetro digital, que utiliza electrónica activa, puede, en cambio, pasar una corriente especificada a través de la resistencia de prueba. El voltaje generado a través de la resistencia de prueba en ese caso es linealmente proporcional a su resistencia, que se mide y se muestra. En cualquier caso, los rangos de baja resistencia del medidor pasan mucha más corriente a través de los cables de prueba que los rangos de alta resistencia. Esto permite que los voltajes presentes estén en niveles razonables (generalmente por debajo de 10 voltios) pero aún mensurables.
Para medir resistencias de bajo valor, como las resistencias de fracciones de ohmio, con una precisión aceptable se requieren conexiones de cuatro terminales . Un par de terminales aplica una corriente conocida y calibrada a la resistencia, mientras que el otro par detecta la caída de voltaje a través de la resistencia. Algunos ohmímetros, miliohmímetros e incluso algunos de los mejores multímetros digitales de calidad de laboratorio detectan utilizando cuatro terminales de entrada para este propósito, que se pueden utilizar con cables de prueba especiales llamados pinzas Kelvin . Cada una de las dos pinzas tiene un par de mordazas aisladas entre sí. Un lado de cada pinza aplica la corriente de medición, mientras que las otras conexiones solo sirven para detectar la caída de voltaje. La resistencia se calcula nuevamente utilizando la Ley de Ohm como el voltaje medido dividido por la corriente aplicada.
Las características de los resistores se cuantifican y se informan utilizando diversas normas nacionales. En los EE. UU., la norma MIL-STD-202 [25] contiene los métodos de prueba pertinentes a los que hacen referencia otras normas.
Existen varias normas que especifican las propiedades de las resistencias para su uso en equipos:
Existen otras normas MIL-R de adquisiciones militares de los Estados Unidos.
El estándar primario para la resistencia, el "ohmio de mercurio", fue definido inicialmente en 1884 como una columna de mercurio de 106,3 cm de largo y 1 milímetro cuadrado de sección transversal, a 0 grados Celsius . Las dificultades para medir con precisión las constantes físicas para replicar este estándar dan como resultado variaciones de hasta 30 ppm. A partir de 1900, el ohmio de mercurio fue reemplazado por una placa de manganina mecanizada con precisión . [27] Desde 1990, el estándar internacional de resistencia se ha basado en el efecto Hall cuantificado descubierto por Klaus von Klitzing , por el que ganó el Premio Nobel de Física en 1985. [28]
Se fabrican resistencias de altísima precisión para calibración y uso en laboratorio . Pueden tener cuatro terminales, utilizando un par para transportar una corriente de funcionamiento y el otro par para medir la caída de tensión; esto elimina los errores causados por caídas de tensión a través de las resistencias de los conductores, porque no fluye carga a través de los conductores de detección de tensión. Es importante en resistencias de pequeño valor (100–0,0001 ohmios) donde la resistencia de los conductores es significativa o incluso comparable con respecto al valor estándar de resistencia. [29]
Las carcasas de resistencias axiales suelen ser de color tostado, marrón, azul o verde (aunque a veces también se encuentran otros colores, como rojo oscuro o gris oscuro) y muestran de tres a seis rayas de colores que indican la resistencia (y por extensión la tolerancia), y pueden incluir bandas para indicar el coeficiente de temperatura y la clase de fiabilidad. En las resistencias de cuatro rayas, las dos primeras rayas representan los dos primeros dígitos de la resistencia en ohmios , la tercera representa un multiplicador y la cuarta la tolerancia (que, si no está presente, denota ±20%). En las resistencias de cinco y seis rayas, la tercera banda es el tercer dígito, la cuarta es el multiplicador y la quinta es la tolerancia; una sexta raya representa el coeficiente de temperatura. La potencia nominal de la resistencia no suele estar marcada y se deduce de su tamaño.
Las resistencias de montaje superficial están marcadas numéricamente.
Las resistencias de principios del siglo XX, que en esencia no estaban aisladas, se sumergían en pintura para cubrir todo su cuerpo y así poder codificarlas por colores. Este color base representaba el primer dígito. Se aplicaba un segundo color de pintura en un extremo del elemento para representar un segundo dígito, y un punto (o banda) de color en el medio proporcionaba el tercer dígito. La regla era "cuerpo, punta, punto", proporcionando dos dígitos significativos para el valor y el multiplicador decimal, en esa secuencia. La tolerancia predeterminada era de ±20%. Las resistencias con una tolerancia más estricta tenían pintura plateada (±10%) o dorada (±5%) en el otro extremo.
Las primeras resistencias se fabricaban en números redondos más o menos arbitrarios; una serie podía tener 100, 125, 150, 200, 300, etc. [30] Las primeras resistencias bobinadas de potencia, como los tipos esmaltados en vidrio marrón, se fabricaban con un sistema de valores preferidos como algunos de los mencionados aquí. Las resistencias tal como se fabrican están sujetas a una cierta tolerancia porcentual , y tiene sentido fabricar valores que se correlacionen con la tolerancia, de modo que el valor real de una resistencia se superponga ligeramente con sus vecinos. Un espaciado más amplio deja huecos; un espaciado más estrecho aumenta los costos de fabricación e inventario para proporcionar resistencias que sean más o menos intercambiables.
Un esquema lógico es producir resistencias en un rango de valores que aumentan en una progresión geométrica , de modo que cada valor sea mayor que su predecesor por un multiplicador o porcentaje fijo, elegido para que coincida con la tolerancia del rango. Por ejemplo, para una tolerancia de ±20% tiene sentido que cada resistencia sea aproximadamente 1,5 veces su predecesora, cubriendo una década en 6 valores. Más precisamente, el factor utilizado es 1,4678 ≈ , dando valores de 1,47, 2,15, 3,16, 4,64, 6,81, 10 para la década de 1 a 10 (una década es un rango que aumenta en un factor de 10; 0,1–1 y 10–100 son otros ejemplos); estos se redondean en la práctica a 1,5, 2,2, 3,3, 4,7, 6,8, 10; seguido de 15, 22, 33, ... y precedido por ... 0,47, 0,68, 1. Este esquema se ha adoptado como la serie E6 de los valores numéricos preferidos de IEC 60063. También existen las series E12 , E24 , E48 , E96 y E192 para componentes de resolución progresivamente más fina, con 12, 24, 48, 96 y 192 valores diferentes dentro de cada década. Los valores reales utilizados se encuentran en las listas de números preferidos de IEC 60063.
Se esperaría que una resistencia de 100 ohmios ±20% tenga un valor entre 80 y 120 ohmios; sus vecinos E6 son 68 (54–82) y 150 (120–180) ohmios. Un espaciado sensato, E6 se utiliza para componentes ±20%; E12 para ±10%; E24 para ±5%; E48 para ±2%, E96 para ±1%; E192 para ±0,5% o mejor. Las resistencias se fabrican en valores desde unos pocos miliohmios hasta aproximadamente un gigaohmio en rangos IEC60063 apropiados para su tolerancia. Los fabricantes pueden clasificar las resistencias en clases de tolerancia según la medición. En consecuencia, una selección de resistencias de 100 ohmios con una tolerancia de ±10%, podría no estar alrededor de 100 ohmios (pero no más de un 10% de diferencia) como uno esperaría (una curva de campana), sino más bien estar en dos grupos: o bien entre un 5 y un 10% demasiado alto o entre un 5 y un 10% demasiado bajo (pero no más cerca de 100 ohmios que eso) porque cualquier resistencia que la fábrica hubiera medido con una diferencia de menos del 5% habría sido marcada y vendida como resistencias con solo ±5% de tolerancia o mejor. Al diseñar un circuito, esto puede convertirse en un factor a tener en cuenta. Este proceso de clasificación de piezas en función de la medición posterior a la producción se conoce como "binning" y se puede aplicar a otros componentes además de las resistencias (como los grados de velocidad para las CPU).
Las resistencias de montaje superficial de tamaños más grandes (métricas 1608 y superiores) están impresas con valores numéricos en un código relacionado con el que se usa en las resistencias axiales. Las resistencias de tecnología de montaje superficial (SMT) de tolerancia estándar están marcadas con un código de tres dígitos, en el que los dos primeros dígitos son los dos primeros dígitos significativos del valor y el tercer dígito es la potencia de diez (la cantidad de ceros). Por ejemplo:
Las resistencias menores a 100 Ω se escriben: 100, 220, 470. El cero final representa diez elevado a cero, que es 1. Por ejemplo:
A veces, estos valores se marcan como 10 o 22 para evitar un error.
Las resistencias menores a 10 Ω tienen una "R" para indicar la posición del punto decimal ( punto de base ). Por ejemplo:
000 y 0000 a veces aparecen como valores en enlaces de cero ohmios de montaje superficial , ya que estos tienen una resistencia (aproximadamente) cero.
Las resistencias de montaje superficial más recientes son demasiado pequeñas, físicamente, para permitir la aplicación de marcas prácticas.
Muchas resistencias de precisión, incluidas las de montaje superficial y las de conexión axial, están marcadas con un código de cuatro dígitos. Los tres primeros dígitos son las cifras significativas y el cuarto es la potencia de diez. Por ejemplo:
Las resistencias de precisión con conductores axiales a menudo utilizan bandas de código de color para representar este código de cuatro dígitos.
El antiguo sistema de marcado EIA-96, ahora incluido en IEC 60062:2016, es un sistema de marcado más compacto destinado a resistencias de alta precisión físicamente pequeñas. Utiliza un código de dos dígitos más una letra (un total de tres caracteres alfanuméricos) para indicar valores de resistencia del 1 % con tres dígitos significativos. [31] Los dos dígitos (de "01" a "96") son un código que indica una de las 96 "posiciones" en la serie estándar E96 de valores de resistencia del 1 %. La letra mayúscula es un código que indica un multiplicador de potencia de diez . Por ejemplo, la marca "01C" representa 10 kOhm; "10C" representa 12,4 kOhm; "96C" representa 97,6 kOhm. [32] [33] [34] [35] [36]
Pasos para conocer los valores de resistencia o capacitancia: [37]
Si una resistencia está codificada:
Existen varios patrones de uso comunes en los que se configuran habitualmente las resistencias. [38]
Las resistencias se utilizan habitualmente para limitar la cantidad de corriente que fluye a través de un circuito. Muchos componentes de circuitos (como los LED) requieren que se limite la corriente que fluye a través de ellos, pero no limitan por sí mismos la cantidad de corriente. Por lo tanto, a menudo se añadirán resistencias para evitar situaciones de sobrecorriente. Además, muchas veces los circuitos no necesitan la cantidad de corriente que de otro modo fluiría a través de ellos, por lo que se pueden añadir resistencias para limitar el consumo de energía de dichos circuitos.
A menudo, los circuitos necesitan proporcionar varios voltajes de referencia para otros circuitos (como comparadores de voltaje). Se puede obtener un voltaje fijo al colocar dos resistencias en serie entre otras dos tensiones fijas (como la tensión de la fuente y la de tierra). El terminal entre las dos resistencias estará a un voltaje que se encuentra entre las dos tensiones, a una distancia lineal basada en las resistencias relativas de las dos resistencias. Por ejemplo, si se colocan una resistencia de 200 ohmios y una de 400 ohmios en serie entre 6 V y 0 V, el terminal entre ellas estará a 4 V.
Cuando un circuito no está conectado a la alimentación, el voltaje de ese circuito no es cero sino indefinido (puede verse influenciado por voltajes anteriores o el entorno). Una resistencia pull-up o pull-down proporciona un voltaje para un circuito cuando está desconectado (como cuando no se presiona un botón o un transistor no está activo). Una resistencia pull-up conecta el circuito a un voltaje positivo alto (si el circuito requiere un voltaje predeterminado positivo alto) y una resistencia pull-down conecta el circuito a un voltaje bajo o tierra (si el circuito requiere un voltaje predeterminado bajo). El valor de la resistencia debe ser lo suficientemente alto para que, cuando el circuito esté activo, la fuente de voltaje a la que está conectado no influya demasiado en la función del circuito, pero lo suficientemente bajo para que "tire" lo suficientemente rápido cuando el circuito se desactiva y no altere significativamente el voltaje del valor de la fuente.
Al amplificar señales débiles, a menudo es necesario minimizar el ruido electrónico , particularmente en la primera etapa de amplificación. Como elemento disipativo, incluso una resistencia ideal produce naturalmente un voltaje o ruido que fluctúa aleatoriamente entre sus terminales. Este ruido de Johnson-Nyquist es una fuente de ruido fundamental que depende solo de la temperatura y la resistencia de la resistencia, y se predice mediante el teorema de fluctuación-disipación . El uso de un valor mayor de resistencia produce un ruido de voltaje mayor, mientras que un valor menor de resistencia genera más ruido de corriente, a una temperatura dada.
El ruido térmico de una resistencia práctica también puede ser mayor que la predicción teórica y ese aumento depende típicamente de la frecuencia. El exceso de ruido de una resistencia práctica se observa solo cuando fluye corriente a través de ella. Esto se especifica en la unidad de μV/V/década – μV de ruido por voltio aplicado a través de la resistencia por década de frecuencia. El valor de μV/V/década se da frecuentemente en dB de modo que una resistencia con un índice de ruido de 0 dB exhibe 1 μV (rms) de exceso de ruido por cada voltio a través de la resistencia en cada década de frecuencia. El exceso de ruido es así un ejemplo de ruido 1/ f . Las resistencias de película gruesa y de composición de carbono generan más exceso de ruido que otros tipos a bajas frecuencias. Las resistencias de película delgada y bobinadas a menudo se utilizan por sus mejores características de ruido. Las resistencias de composición de carbono pueden exhibir un índice de ruido de 0 dB mientras que las resistencias de lámina metálica a granel pueden tener un índice de ruido de -40 dB, por lo que normalmente el exceso de ruido de las resistencias de lámina metálica es insignificante. [39] Las resistencias de montaje superficial de película delgada suelen tener menos ruido y mejor estabilidad térmica que las resistencias de montaje superficial de película gruesa. El exceso de ruido también depende del tamaño: en general, el exceso de ruido se reduce a medida que aumenta el tamaño físico de una resistencia (o se utilizan varias resistencias en paralelo), ya que las resistencias que fluctúan independientemente de los componentes más pequeños tienden a promediarse.
Aunque no se trata de un ejemplo de "ruido" en sí, una resistencia puede actuar como un termopar , produciendo una pequeña diferencia de voltaje de CC a través de ella debido al efecto termoeléctrico si sus extremos están a diferentes temperaturas. Este voltaje de CC inducido puede degradar la precisión de los amplificadores de instrumentación en particular. Dichos voltajes aparecen en las uniones de los cables de la resistencia con la placa de circuito y con el cuerpo de la resistencia. Las resistencias de película metálica comunes muestran dicho efecto con una magnitud de aproximadamente 20 μV/°C. Algunas resistencias de composición de carbono pueden exhibir desfases termoeléctricos de hasta 400 μV/°C, mientras que las resistencias construidas especialmente pueden reducir este número a 0,05 μV/°C. En aplicaciones donde el efecto termoeléctrico puede llegar a ser importante, se debe tener cuidado de montar las resistencias horizontalmente para evitar gradientes de temperatura y tener en cuenta el flujo de aire sobre la placa. [40]
La tasa de fallas de las resistencias en un circuito diseñado correctamente es baja en comparación con otros componentes electrónicos, como semiconductores y condensadores electrolíticos. Los daños a las resistencias ocurren con mayor frecuencia debido al sobrecalentamiento cuando la potencia promedio que se les entrega excede en gran medida su capacidad para disipar el calor (especificada por la potencia nominal de la resistencia ). Esto puede deberse a una falla externa al circuito, pero con frecuencia es causado por la falla de otro componente (como un transistor que se cortocircuita) en el circuito conectado a la resistencia. Hacer funcionar una resistencia demasiado cerca de su potencia nominal puede limitar la vida útil de la resistencia o causar un cambio significativo en su resistencia. Un diseño seguro generalmente utiliza resistencias sobrevaloradas en aplicaciones de energía para evitar este peligro.
Las resistencias de película delgada de bajo consumo pueden resultar dañadas por el estrés de alto voltaje a largo plazo, incluso por debajo del voltaje máximo especificado y de la potencia nominal máxima. Este suele ser el caso de las resistencias de arranque que alimentan un circuito integrado de fuente de alimentación conmutada . [ cita requerida ]
Cuando se sobrecalientan, las resistencias de película de carbono pueden disminuir o aumentar. [41] Las resistencias de película de carbono y de composición pueden fallar (circuito abierto) si funcionan cerca de su disipación máxima. Esto también es posible, pero menos probable, con resistencias de película metálica y bobinadas.
Las resistencias también pueden fallar debido a la tensión mecánica y a factores ambientales adversos, como la humedad. Si no están encerradas, las resistencias bobinadas pueden corroerse.
Se sabe que las resistencias de montaje superficial fallan debido a la entrada de azufre en la composición interna de la resistencia. Este azufre reacciona químicamente con la capa de plata para producir sulfuro de plata no conductor. La impedancia de la resistencia tiende al infinito. Las resistencias resistentes al azufre y anticorrosivas se venden en aplicaciones automotrices, industriales y militares. ASTM B809 es una norma industrial que prueba la susceptibilidad de una pieza al azufre.
Se puede encontrar un modo de falla alternativo cuando se utilizan resistencias de gran valor (cientos de kiloohmios y más). Las resistencias no solo se especifican con una disipación de potencia máxima, sino también para una caída de voltaje máxima. Exceder este voltaje hace que la resistencia se degrade lentamente reduciendo la resistencia. La caída de voltaje a través de resistencias de gran valor se puede exceder antes de que la disipación de potencia alcance su valor límite. Dado que el voltaje máximo especificado para las resistencias que se encuentran comúnmente es de unos pocos cientos de voltios, esto es un problema solo en aplicaciones donde se encuentran estos voltajes.
Las resistencias variables también pueden degradarse de otra manera, generalmente por un mal contacto entre el limpiador y el cuerpo de la resistencia. Esto puede deberse a la suciedad o la corrosión y generalmente se percibe como un "crujido" a medida que fluctúa la resistencia de contacto ; esto se nota especialmente cuando se ajusta el dispositivo. Esto es similar al crujido causado por un mal contacto en los interruptores y, al igual que los interruptores, los potenciómetros se limpian solos hasta cierto punto: pasar el limpiador a través de la resistencia puede mejorar el contacto. Los potenciómetros que rara vez se ajustan, especialmente en entornos sucios o hostiles, son los más propensos a desarrollar este problema. Cuando la autolimpieza del contacto es insuficiente, generalmente se puede obtener una mejora mediante el uso de un limpiador de contactos (también conocido como "limpiador de sintonizadores") en aerosol. El ruido crepitante asociado con el giro del eje de un potenciómetro sucio en un circuito de audio (como el control de volumen) se acentúa en gran medida cuando hay un voltaje de CC no deseado, lo que a menudo indica la falla de un capacitor de bloqueo de CC en el circuito.
