I progettisti devono conoscere le cause e l'impatto del VCR e sapere come mitigarlo

Molti progettisti non sanno che i resistori hanno un coefficiente di tensione della resistività (VCR) e un coefficiente termico della resistenza (TCR). Questo è comprensibile perché nelle applicazioni a bassa tensione e bassa resistenza, gli effetti della tensione sono minori e ben mascherati dagli effetti della temperatura. Tuttavia, nei circuiti che utilizzano resistenze elevate e/o tensioni elevate (HV), la variabilità della resistenza con la tensione può essere un grosso problema. Questi circuiti sono utilizzati in applicazioni quali alimentatori HV, amplificatori in transimpedenza (TIA), illuminazione LED HV e sistemi di comunicazione a impulsi. I progettisti di tali circuiti devono conoscere le cause e l'impatto del VCR e sapere come mitigarlo.

Questo articolo fornisce una panoramica del VCR e del suo impatto sulla progettazione di circuiti. Porta poi ad esempio i resistori a basso VCR di Stackpole per illustrare come selezionare e applicare tali dispositivi per ridurre al minimo gli effetti del VCR al fine di assicurare un funzionamento accurato e affidabile dei circuiti critici.

Che cos'è il VCR?

Il VCR di un resistore può essere definito come la variazione del valore della resistenza proporzionalmente alla tensione applicata. Viene generalmente misurato in unità di parti per milione per volt (ppm/V) e può essere calcolato con l'equazione:

Dove:

R₁ è il valore di resistenza, in ohm (Ω), a una tensione di riferimento (V₁)

R₂ è il valore di resistenza, in Ω, alla tensione di prova (V₂)

V₁ è la tensione di riferimento

V₂ è la tensione di prova

Il VCR può essere positivo o negativo. Un VCR positivo indica che la resistenza aumenterà all'aumentare della tensione sul resistore, mentre un VCR negativo indica che la resistenza diminuirà.

I tipici resistori in chip HV con un VCR da 200 ppm/V a 300 ppm/V mostreranno una variazione di resistenza dal 20% al 30% per una variazione della tensione applicata di 1.000 V. La scelta di un resistore con un VCR compreso tra 25 ppm/V e 50 ppm/V riduce la variazione di resistenza al 2,5 - 5% per la stessa variazione di tensione di 1.000 V.

Il metodo di prova standard per misurare il VCR segue il metodo 309 della norma MIL-STD-202G, che stabilisce metodi uniformi per il collaudo dei componenti elettronici, specificando la tensione di prova standard pari alla tensione massima di lavoro specificata e il livello di tensione di riferimento pari al 10% della tensione massima di lavoro.

Come ridurre al minimo il VCR

Il VCR può essere ridotto al minimo grazie a un'adeguata progettazione e all'accorta selezione dei materiali. La scelta dei materiali resistivi richiede un compromesso ingegneristico, perché i materiali resistivi a basso VCR possono migliorare il VCR ma anche aumentare il TCR, riducendo la stabilità termica. Anche la scelta di inchiostri a bassa resistenza migliorerà il VCR, ma limiterà la resistenza massima ottenibile. Un'attenta selezione del tipo di inchiostro resistivo e del metodo di applicazione può ottimizzare il VCR.

Anche la taratura a laser può avere un impatto sul VCR. I resistori non tarati producono in genere valori di resistenza compresi tra il 5% e il 20% del valore previsto. La taratura a laser viene utilizzata per regolare i valori di resistenza entro una tolleranza minore, ad esempio entro l'1%. Il processo di taratura a laser può interessare il VCR, generando microfratture che provocano variazioni locali e involontarie dell'impedenza, che aumentano il VCR (Figura 1).

Figura 1: Gli effetti fisici della taratura a laser di resistori in chip a film spesso possono influire sul VCR. (Immagine per gentile concessione di Stackpole Electronics, Inc.)

La riduzione al minimo dell'uso della taratura a laser riduce questi effetti, così come la scelta della geometria di taratura a laser e le dimensioni del contenitore. In generale, i contenitori più grandi offrono un VCR ridotto.

Applicazioni per resistori a basso VCR

I resistori in chip a basso VCR trovano applicazione nell'illuminazione a LED, nei dispositivi medici, nelle apparecchiature audiovisive e nei sistemi di comunicazione che richiedono alte tensioni e/o valori di resistenza elevati. Un buon esempio di circuito è il TIA (Figura 2). Questo amplificatore riceve un ingresso di corrente e genera una tensione proporzionale.

Figura 2: Un TIA converte un ingresso di corrente in un'uscita di tensione proporzionale al valore del resistore di retroazione. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

La tensione di uscita di un TIA è uguale al prodotto della corrente di ingresso e del resistore di retroazione, R_f.

Tipicamente, un TIA si interfaccia con fotodiodi, accelerometri, tubi fotomoltiplicatori e sensori simili in cui la risposta alla corrente del sensore è più lineare della sua risposta alla tensione. In genere, queste applicazioni richiedono un guadagno elevato, che a sua volta implica un resistore di retroazione di valore elevato. Poiché l'ingresso del resistore è mantenuto a massa, il resistore vede l'intera oscillazione dell'uscita. In molti casi, il segnale di ingresso può essere pulsato, come nei test di interferenza elettromagnetica (EMI) o di shock meccanico, con conseguenti forti oscillazioni di tensione sul resistore.

Una variazione del valore del resistore in relazione alla tensione che lo attraversa determina la modulazione del guadagno dell'amplificatore, che aggiunge un termine al quadrato all'uscita di tensione. Il termine al quadrato aumenta la seconda armoniche e altre armoniche pari all'uscita, causando problemi di linearità e distorsione armonica. La variazione della resistenza non deve essere di grande entità per produrre livelli di distorsione significativi.

Un'altra applicazione dei resistori a basso VCR riguarda i divisori di tensione (Figura 3), utilizzati per ridurre un livello di tensione.

Figura 3: I resistori a basso VCR sono utilizzati nei circuiti divisori di tensione; riducono il livello di tensione di un segnale e sono tipicamente utilizzati per restituire una tensione elevata a un dispositivo con una tensione di ingresso inferiore. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

Il divisore di tensione viene utilizzato in applicazioni quali il rilevamento dell'uscita di un alimentatore HV e il ritorno al comando diretto di potenza. Può anche essere utilizzato come attenuatore per ridurre un segnale ad alta tensione, come un impulso EMI o una fulminazione, a un livello sicuro per uno strumento di misurazione.

In quasi tutte le applicazioni, il resistore superiore, R₁, ha un valore molto più alto di quello del resistore inferiore, R₂, ed è attraversato da una tensione maggiore. Per le applicazioni in cui il segnale di ingresso varia, come nel caso della misurazione di un impulso EMI, è necessario un resistore a basso VCR. Il VCR causa il variare dell'attenuazione dell'uscita del divisore con il livello di tensione in ingresso, causando un errore nell'attenuazione.

Supponendo che l'ingresso sia un impulso EMI sinusoidale smorzato da 1.000 V di picco, se R2 è di 1000 Ω, R1 è di 1 MΩ ed entrambi sono resistori ideali, l'uscita è una sinusoide smorzata con un'ampiezza di picco di 0,999 V. Tuttavia, se R1 ha un VCR di -200 ppm/V, allora con una tensione di ingresso di 1.000 V, la resistenza diminuirà di 200 kΩ. L'attenuazione del divisore di tensione sarà ridotta e l'ampiezza di picco dell'uscita sarà pari a 1,25 V. Al variare della tensione di ingresso, la variazione dell'attenuazione distorcerà la forma d'onda di uscita.

Quando si ha a che fare con elevati valori di resistenza e alte tensioni, è essenziale considerare il VCR.

Esempi di resistori in chip ad alta tensione e basso VCR

La serie RVCU di Stackpole comprende resistori in chip ad alta tensione e a basso VCR e offre un'eccezionale stabilità di tensione su intervalli di tensione compresi tra 800 V e 3.000 V, a seconda delle dimensioni del contenitore. La serie offre resistori con tolleranze di resistenza dallo 0,5% al 5% su un intervallo da 75 kΩ a 30 MΩ. Tutti hanno un VCR di ±25 ppm/V per valori di resistenza inferiori a 3 MΩ e di 50 ppm/V per valori superiori a 3 MΩ fino a 30 MΩ. Il TCR è comune a tutti i contenitori e si attesta su 100 ppm/°C. Tutti i modelli sono a norma AEC-Q200 per applicazioni automotive e sono stati testati per l'antisolforazione secondo ASTM-B-809.

La famiglia RVCU contiene resistori in contenitori a montaggio superficiale di formato 1206 (3216 metrico), 2010 (5025 metrico) e 2512 (6332 metrico) (Figura 4).

Figura 4: Le quote meccaniche dei resistori in chip a montaggio superficiale della serie RVCU. (Immagine per gentile concessione di Stackpole Electronics Inc.)

Il numero di modello del contenitore codifica le quote di lunghezza e larghezza. I primi due numeri rappresentano la lunghezza del contenitore, gli ultimi due la sua larghezza. Le quote statunitensi sono espresse in centesimi di pollice (in), arrotondate al valore intero più vicino. Le quote metriche sono in decimi di millimetro (mm). Tutti e tre i contenitori hanno un'altezza standard di 0,55 mm. La tensione massima di lavoro varia a seconda delle dimensioni del contenitore.

RVCU1206FT1M00 di Stackpole, ad esempio, è un resistore a film spesso da 0,33 W, 1 MΩ, tolleranza 1% in un contenitore a montaggio superficiale 1206. Ha una tensione massima di lavoro di 800 V con una limite di tensione massima di sovraccarico di 1.000 V.

Per livelli di potenza leggermente superiori, il modello RVCU2010FT1M00 è un resistore a film spesso da 0,5 W e 1 MΩ in un contenitore a montaggio superficiale 2010. Questo resistore ha una tolleranza dell'1%, una tensione massima di lavoro di 2.000 V e un sovraccarico nominale massimo di 3.000 V.

RVCU2512FT1M00 di Stackpole è un resistore in chip a film spesso da 1 MΩ, tolleranza ±1%, con una potenza nominale di 1 W.

È disponibile in un contenitore a montaggio superficiale 2512. La tensione di lavoro di questo dispositivo è superiore a quella del modello RVCU2010FT1M00, pari a 3.000 V, con una tensione nominale di sovraccarico di 4.000 V.

Conclusione

Per garantire precisione e stabilità, i circuiti ad alta tensione e alta resistenza necessitano di resistori con un basso VCR. I resistori in chip serie RVCU di Stackpole offrono un basso VCR, compreso tra 25 ppm/V e 50 ppm/V, e sono progettati per offrire un'eccezionale stabilità a tensioni comprese tra 800 V e 3000 V.