Resistencias de película metálica

Las resistencias de película metálica se encuentran fabricadas con diferentes elementos resistivos, y se pueden clasificar como de propósito general, de precisión y de semiprecisión. Las resistencias de película delgada incluyen a las de aleación de níquel-cromo, las cuales tienen un grosor de menos de una millonésima de pulgada. Las de película gruesa incorporan los "cermet" y las de metal vitrificado que tienen un grosor superior a la millonésima de pulgada. Las resistencias de película metálica ofrecen una buena estabilidad térmica y, normalmente, unos valores de ruido bastante reducidos en general.

La figura A3c es un dibujo de un corte de una resistencia de película metálica, donde se puede ver el método general de fabricación de la mayoría de las resistencias de este tipo. Las películas resistivas delgadas se depositan sobre un soporte o mandril cerámico de gran longitud en una cámara de alto vacío mediante la deposición en vacío. Por el contrario, las de película gruesa se aplican mediante el enmascaramiento o la pulverización de tintas resistivas sobre un mandril similar al anterior, antes de que éste sea cocido.

Posteriormente, los mandriles se cortan según el tamaño de las resistencias individuales y se colocan en sus extremos las caperuzas con los terminales. El ajuste de la resistencia a su valor nominal se realiza mediante un láser en un circuito de bucle cerrado bajo el control de un ordenador. La película resistiva se elimina en forma de una espiral cuya longitud define el valor deseado de la resistencia. Posteriormente, se colocan unas coberturas aislantes de epoxi. La película metálica de níquel-cromo es adecuada para valores de resistencia en el rango entre 1 ohmio y 1 Megaohmio, con tolerancias tan reducidas como un >± 1 %. El coeficiente térmico puede variar desde tan sólo >± 25 ppm/°C y >± 200 ppm/°C. Los valores de potencia pueden ser de hasta 5 vatios y los tensiones de trabajo pueden llegar hasta los 200 voltios.

Los elementos resistivos de "película-cermet" se preparan mezclando metales preciosos con un aglutinante para formar una tinta que se aplica mediante máscaras sobre mandriles cerámicos, antes de ser cocidos al horno. Los resistencias "cermet" tienen valores de hasta 10 Megaohmios y tolerancias resistivas tan reducidas como >± 1 % un coeficiente térmico de >± 25 ppm/°C como mínimo y unos valores de potencia de hasta 3 vatios.

Resistencias de película de carbón

Las resistencias de película de carbón se fabrican, por lo general, en la misma forma que las resistencias de película metálica "cermet", como se puede ver en la figuraA3c. Estas resistencias han ganado en popularidad, para las aplicaciones de propósito general, debido a que su precio es inferior al de las resistencias de compuesto de carbón. Dado que se utilizan frecuentemente en los protegidos circuitos transistorizados de baja tensión, no necesitan ser tan robustas.

Las resistencias de película de carbón están disponibles con valores de entre 1 >W y 10 M>W , con tolerancias resistivas tan reducidas como el >± 5% y con coeficientes térmicos inferiores a >± 200 ppm/°C. Los valores de potencia máximos suelen ser de hasta 3 vatios. Estas resistencias son menos ruidosas que las de compuesto de carbón y son menos propensas a ser afectadas por la humedad.

Resistencias especiales

Hay muchos tipos diferentes de resistencias fijas fabricadas para aplicaciones especiales. En general, la mayoría están fabricadas con el mismo tipo de materiales resistivos que con el que se fabrican las resistencias fijas convencionales. Por lo tanto, todas las tecnologías y fórmulas que se explicaron anteriormente también se pueden aplicar en este tipo de productos. Entre las resistencias especiales se incluyen las resistencias de alta tensión, los circuitos integrados de resistencias y redes de resistencias empaquetadas. Las resistencias de alta tensión son aquellas que pueden trabajar con tensiones efectivas de hasta 40.000 voltios. Estas resistencias se pueden fabricar como las de película de carbón: con terminales axiales, pero selladas herméticamente en cápsulas de cristal.

Las resistencias de circuito integrado son básicamente resistencias de película delgada o gruesa que se han depositado sobre un substrato cerámico, como se puede ver en la figura A4. El "cermet" de óxido de rutenio de película gruesa se emplea ampliamente como material resistivo en las resistencias integradas comerciales para montaje superficial. Los electrodos laterales de placa metálica de estas resistencias integradas permiten soldarlos después de pegarlas a la placa de circuito impreso, una pasivación de cristal protegerá el elemento resistivo de las agresiones del entorno.

Las potencias máximas típicas para esta clase de resistencias de circuito integrado son 1/8 de vatio o inferior. Las resistencias integrados para montaje superficial están fabricadas en un tamaño estándar de 1,6 mm >´ 3,2 mm para permitir que sean tomadas y colocadas por las máquinas automáticas. Las redes de resistencias son conjuntos de resistencias de película gruesa o delgada depositadas como un substrato común y empaquetadas para facilitar su montaje en las placas de circuito impreso. Se clasifican en redes DIP (Dual In-line Package) o SIP (Single In-line Package). En la figura A4b se puede ver una red SIP. Los conductores de las redes SIP y DIP están formados por polvos de plata-paladio, mezclados con un aglutinante volátil, que se aplican mediante enmascaramiento del substrato cerámico antes de calentar al horno. Estos conductores se conectan a los pines de salida que están fuertemente unidos al extremo del substrato. Las conductores también forman una gran variedad de esquemas de interconexión. En las redes comerciales estándar, las resistencias tienen el mismo valor, pero se pueden encargar redes con diferentes valores de resistencias.

Las redes resistivas se utilizan para transiciones entre circuitos lógicos, como terminación de amplificadores, y para limitadores en los visualizadores LED. Las redes DIP, formadas par moldeo epoxi, se encuentran disponibles con 14 ó 16 pines. Se pueden insertar con las mismas máquinas que se insertan las circuitos integrados en encapsulados DIP. Las redes SIP, por el contrario, normalmente tienen 6, 8 ó 10 pines en un extremo para ser montadas de forma vertical de manera que se ahorre espacio en la placa de circuito impreso. Se encapsulan mediante el moldeo de epoxi a por la conformación del revestimiento.

Las redes resistivas de película gruesa estándar tienen valores de resistencia que se encuentran en el rango entre los 10 >W y las 10 M>W , con un coeficiente de temperatura del >± 2%. El límite para la disipación de potencia total típica para esta clase de encapsulados es de 1/2 W. Las redes de resistencias también están disponibles en encapsulados de circuito integrado (SOIC = Small Outline IC) DIP miniatura, así como encapsulados de red abierta y con el soporte de circuitos integrados de encapsulado hermético para montaje superficial.

Resistencias variables

Figura A5.- árbol de la familia de las resistencias variables.

Las resistencias variables tienen una forma de modificar el valor de su resistencia nominal que consiste en el movimiento manual de un contacto o cursor sobre el elemento resistivo. Las cualidades de la resistencia variable dependen del elemento resistivo, el tamaño de dicho elemento y la configuración del encapsulado o estilo del componente.

La figura A5 es un diagrama de bloques en "árbol" que muestra la forma en la que se encuentran clasificados los potenciómetros como de propósito general, de semiprecisión y ajustables ("trimmer"). Los componentes de propósito general y de semiprecisión también se denominan con frecuencia controles de volumen o potenciómetros de panel Los elementos resistivos se clasifican dependiendo de que se sean o no bobinados por ejemplo plástico conductor, carbón y "cermet".

Potenciómetros de precisión

Un potenciómetro con una precisión del >± 1 %, o superior, se define como potenciómetro de precisión. Estas resistencias variables se suelen considerar con frecuencia como instrumentos, en lugar de como componentes electrónicos. Se mantiene una precisa relación entre la posición del cursor y el valor de la resistencia a la salida del potenciómetro. Los potenciómetros de precisión fueron una parte importante de los ordenadores híbridos y analógicos en los que la salida dependía de la precisión de los potenciómetros. La precisión está determinada por factores como la resolución, la estabilidad térmica y la repetitividad, es decir, la posibilidad de volver a colocar el cursor en el mismo punto del elemento resistivo y obtener la misma salida de tensión o de corriente.

Los modernos potenciómetros de precisión comerciales se parecen mucho a los controles de volumen para montar sobre panel. La mayoría se fabrica de forma específica para aplicaciones concretas, pero algunos se encuentran disponibles como tales. Los potenciómetros pueden ser de una o de varias vueltas, para así obtener una mayor precisión.

Los de precisión de una única vuelta tienen elementos resistivos planares (circulares), mientras que los potenciómetros de precisión multivuelta disponen de elementos helicoidales. En la figura A6 presentamos una vista en corte de un potenciómetro multivuelta, donde el cursor gira y atraviesa de forma axial la longitud de la caja, al tiempo que sigue el elemento resistivo helicoidal.

La mayoría de los potenciómetros multivuelta se manejan mediante diales de tipo "vernier" para permitir la repetitividad de las selecciones. Sus elementos resistivos se encuentran bobinados o son hélices híbridas. Los elementos híbridos se encuentran arrollados como hélices cubiertas de un plástico conductor. Hasta 10 vueltas pueden ser necesarias para que el cursor recorra toda la longitud del elemento. En la actualidad, los elementos resistivos de un potenciómetro de precisión de una única vuelta suelen estar fabricados con plástico conductor, o con cermet, en lugar de ser un bobinado.

Los elementos de plástico conductor se fabrican mezclando carbón con un aglutinante plástico adecuado para obtener una hoja con una resistencia volumétrica constante. Se puede cortar o estampar como un elemento uniforme en forma de C; y, si se trata de aplicaciones especiales, con otra forma. Este material muestra una buena linealidad y una larga vida rotatoria.

Los más estándar, es decir, los potenciómetros de precisión que no son para aplicaciones especiales, disponen de salidas lineales y, por consiguiente, los valores de resistencia son proporcionales al movimiento del cursor entre los dos terminales, como se puede ver en la figura A7a. Si el valor de resistencia no es directamente proporcional al movimiento del cursor, se dice que el cursor no dispone de una elemento resistivo lineal. Los cambios en la ley de salida se pueden lograr modificando la forma del elemento resistivo. La variación del valor de la resistencia (y, por lo tanto, de la salida) puede seguir una ley cuadrática, como se puede ver en la figura A7b, u otros leyes matemáticas, en función de lo que se muestra en la figura A7c.

Controles de panel

Los controles de volumen de panel suelen ser potenciómetros de propósito general cuyos ajustes están determinados de forma subjetiva. Estos controles ajustan el volumen de las radios y de los televisores, y el brillo en los televisores y en los monitores de los ordenadores. En estos casos no se necesita una relación precisa entre el ajuste del cursor y el valor de la resistencia.

Los potenciómetros de panel pueden tener elementos resistivos bobinados o sin bobinar (por ejemplo, carbón, plástico conductor o "cermet". Las prestaciones de estos componentes están relacionadas con sus elementos resistivos (por ejemplo, rango de tolerancia, coeficiente térmico, y capacidad de potencia). Los elementos de carbón se desgastan con la rotación repetitiva del cursor, y los elementos "cermet" tienden a desgastar el cursor.

Algunos potenciómetros de panel se encuentran montados a partir de módulos y tienen un eje común, o cual permite estar combinados de forma que el movimiento de un único eje axial cambie el ajuste de dos o más elementos resistivos al mismo tiempo. Los potenciómetros para montaje en panel también se fabrican para las placas de circuito impreso y para montaje superficial.

Potenciómetros de ajuste

En la figura A8 se muestra un corte de un potenciómetro de ajuste. Sin embargo, los potenciómetros de ajuste se suelen tener que reajustar después de las reparaciones del circuito o durante la recalibración de instrumentos para, así, evitar los efectos del envejecimiento de los componentes. Los potenciómetros de ajuste no suelen estar accesibles a los usuarios finales.

Fabricados como componentes para placa de circuito impreso, o para montaje superficial, los potenciómetros de ajuste pueden tener elementos resistivos bobinados o de los fabricados con carbón o "cermet". Como ocurre con los potenciómetros de panel, las características, y el coste, están relacionadas con el elemento resistivo que se haya seleccionado. Algunos potenciómetros de ajuste se puede ajustar de forma directa con un destornillador, mientras que otros se ajustan de manera indirecta con mecanismos de cursor multivuelta y de precisión, como el que se puede ver en la figura A8. Los potenciómetros de ajuste con elementos resistivos lineales se adaptan manualmente desplazando el cursor a lo largo del elemento resistivo.

Los tamaños de las cajas para los potenciómetros de ajuste se han estandarizado. Algunos potenciómetros de ajuste disponen de cajas abiertas con el elemento resistivo expuesto, mientras que otros disponen de cajas cerradas herméticamente, lo cual evita la entrada de flujo de soldadura y de soluciones para la limpieza de flujo de soldadura de los circuitos impresos.

Apéndice 1b. Capacitores

Los condensadores o capacitores, son, después de las resistencias o resistores, los componentes pasivos más ampliamente utilizados en electrónica

Los condensadores son también los componentes electrónicos más antiguos. De hecho, las legendarias botellas de Leiden, que causaron fascinación a comienzos del siglo XVIII, no eran más que condensadores rudimentarios constituidos por un contenedor de vidrio recubierto por dentro y por fuera con hojas metálicas, figura B1. Estas últimas actuaban como placas y el contenedor de vidrio como dieléctrico. Los condensadores modernos han progresado mucho con respecto a las botellas de Leiden, no solamente en sus formas y tamaños, sino en sus aplicaciones y los materiales utilizados en su fabricación. En este apéndice examinaremos su principio de funcionamiento, sus características constructivas y sus aplicaciones básicas.

Construcción y funcionamiento

Los condensadores, al igual que las bobinas o inductores, son básicamente dispositivos almacenadores de energía. Sin embargo, mientras un inductor almacena energía en un campo magnético, un condensador la almacena en un campo eléctrico, es decir en forma de cargas eléctricas. El nombre de condensador dado a este dispositivo se debe precisamente a su habilidad para condensar o concentrar la energía eléctrica.

En su forma más simple, un condensador está formado por dos láminas metálicas paralelas llamadas placas separadas por un medio aislante llamado dieléctrico, figura B2.

Todos los condensadores prácticos obedecen, de una u otra forma, a esta estructura básica. Si se aplica un voltaje DC constante a las placas, entre las mismas se establece un campo eléctrico estacionario y cada una adquiere una carga eléctrica de la misma magnitud pero de signo opuesto.

Asumiendo que el dieléctrico es uniforme, la magnitud de la carga acumulada en cada placa es proporcional al voltaje aplicado y está dada por

Q = CV

siendo Q (en coulombios) la carga en cualquiera de las placas, V (en voltios) el voltaje aplicado entre ellas y C una característica intrínseca del condensador llamada capacitancia. La unidad de medida de la capacitancia en el sistema SI es el Faradio (F), denominado así en honor de Michael Faraday (1791-1867), quien desarrolló el concepto. Puesto que el faradio es una unidad relativamente grande para la mayoría de situaciones reales, en el trabajo electrónico práctico se utilizan submúltiplos como el microfaradio (>m F), el nanofaradio (nF) y el picofaradio (pF), equivalentes respectivamente a 10^-6F, 10^-9F y 10^-12F.

En otras palabras, la capacitancia de un condensador mide su habilidad para almacenar cargas eléctricas. Analíticamente se puede demostrar que la capacitancia de un condensador de placas paralelas está dada por

C = k>e ₀ A / d

siendo C la capacitancia (F), k la permitividad relativa del dieléctrico (adimensional), >e o la permitividad del vacío (8.85418x10^-12 [F/m]), A el área de las placas (m²) y d la separación entre las placas (m), es decir el espesor del dieléctrico. Por tanto, la capacitancia es directamente proporcional al área de las placas y a la permitividad del dieléctrico, e inversamente proporcional al espesor de este último. Los fabricantes juegan con estos tres parámetros para obtener condensadores de cualquier capacitancia en un volumen dado.

Parámetros

Además de su capacitancia nominal (generalmente expresada en >m F o pF y especificada para una temperatura ambiente de 25 °C), los fabricantes de condensadores caracterizan sus productos mediante una serie de parámetros que deben ser tenidos en cuenta al seleccionarlos para una aplicación específica. Los más utilizados son la tolerancia, el coeficiente de temperatura y el voltaje de trabajo. Otros parámetros importantes son la temperatura de trabajo, el voltaje de ruptura, la corriente de fuga, la resistencia de aislamiento, la reactancia capacitiva, el factor de potencia, la resistencia equivalente serie (ESR), la impedancia, el factor de disipación y el factor de calidad.

La tolerancia es la variación en la capacitancia nominal expresada como un porcentaje.

El coeficiente de temperatura (TC) especifica como cambia la capacitancia del dispositivo con el incremento de la temperatura. Se expresa generalmente en ppm/°C y puede ser positivo (P), negativo (N) o cero (NP0), dependiendo de si la capacitancia aumenta, disminuye o permanece constante al aumentar la temperatura. Los condensadores con coeficiente NP0 son los más estables. Por esta razón se utilizan en circuitos osciladores para compensar las desviaciones de frecuencia debidas a los cambios de temperatura. Siempre que se reemplace un condensador, el sustituto debe tener el mismo TC, por ejemplo N750.

El voltaje de trabajo (VW) es el voltaje máximo, AC o DC, que puede aplicarse a través de un condensador en forma continua sin causar el deterioro del dieléctrico. Esto último sucede cuando se excede el voltaje de ruptura (breakdown), en cuyo caso el dispositivo permite el paso de corriente entre las placas y se cortocircuita. Los condensadores para aplicaciones electrónicas se diseñan generalmente con voltajes de trabajo entre 8 [V] y 1 [KV], aunque también se dispone de condensadores de construcción especial capaces de soportar tensiones superiores a 10 [KV].

Tipos de condensadores

Los condensadores modernos se clasifican principalmente teniendo en cuenta el material dieléctrico utilizado en su construcción, ya que éste es el elemento que determina realmente la cantidad de carga que pueden soportar. Desde este punto de vista, los condensadores fijos más utilizados son los cerámicos, los electrolíticos de aluminio o tantalio y los de película plástica de poliestireno, polipropileno o poliéster (mylar). En algunos casos se utilizan también la mica, el vidrio o el papel kraft parafinado. En los condensadores variables, el dieléctrico es generalmente aire, aunque a veces se utilizan hojas flexibles muy delgadas de materiales sólidos.

También se dispone de condensadores de estado sólido, llamados varactores o varicaps, cuya capacitancia varía en función de un voltaje externo aplicado, en lugar de hacerlo por medios mecánicos. Estos dispositivos, pueden llegar a proporcionar capacitancias desde menos de 0,4 [pF] (para aplicaciones de microondas) hasta más de 2.000 [pF] (para aplicaciones de baja frecuencia). Son muy utilizados en receptores de radio y televisión de sintonía electrónica, multiplicadores de frecuencia y otros circuitos.

La tabla B1 resume las características típicas de los condensadores fijos más comunes. Para cada tipo se proporcionan los rangos de valores de capacitancia, voltaje de trabajo y tolerancia en que se consiguen normalmente. En los siguientes párrafos se realiza una breve descripción de la construcción física, ventajas, limitaciones, aplicaciones, etc. de algunos de ellos.

Tabla B1.- Características típicas de condensadores fijos comunes.

Los condensadores cerámicos convencionales, figura B4, que son no polarizados y pueden tener forma de disco, plana, tubular o roscada, constan de dos placas metálicas separadas por una capa dieléctrica de dióxido de titanio. Los de tipo roscado (feed-through) se pueden montar directamente en gabinetes metálicos y son muy utilizados en aplicaciones de baja frecuencia. Los tubulares se fabrican de valores muy pequeños y se emplean principalmente en circuitos de VHF y UHF. Todos pueden tener un coeficiente de temperatura positivo (P), negativo (N) o cero (NP0).

También se dispone de condensadores chip cerámicos para montaje superficial, figura B5, constituidos por una serie de capas alternadas de película metálica (tinta conductora) y sustrato cerámico de alta constante dieléctrica (entre 2.000 y 6.000). Este arreglo multicapa permite obtener capacitancias razonables en un espacio muy reducido.

En aplicaciones que requieren altas capacitancias en volúmenes relativamente pequeños, deben utilizarse condensadores electrolíticos. En estos dispositivos, que pueden ser de aluminio o de tantalio, una de las placas (ánodo) es de un material metálico y la otra (cátodo) un electrolito conductor sólido. Como dieléctrico se utiliza un óxido aislante formado por métodos electroquímicos sobre la placa metálica. Debido a esto último, los condensadores electrolíticos son por naturaleza polarizados, aunque también se dispone de unidades no polarizadas que utilizan internamente dos ánodos recubiertos de óxido.

Los condensadores electróliticos de aluminio, figura B6, se forman enrollando juntas una tira muy delgada de aluminio (ánodo) sobre la cual se forma una capa de óxido de aluminio (dieléctrico) y una película plástica o de papel sobre la cual se deposita un electrolito conductor sólido (cátodo). Todo el conjunto se encierra en un envase de aluminio de forma cilíndrica y los terminales pueden estar dispuestos axial o radiamente. No son muy efectivos a frecuencias por encima de 100 KHz, presentan altas fugas, su vida de almacenamiento es limitada y su capacitancia se deteriora con el tiempo. Los condensadores de aluminio tipo chip para montaje superficial son más eficientes en estos aspectos, además de ser mucho más pequeños.

Los condensadores electrolíticos de tantalio que pueden tener forma cilíndrica o de lágrima, utilizan como ánodo (placa positiva) polvo de tantalio, como dieléctrico pentóxido de tantalio y como cátodo (placa negativa) dióxido de manganeso, obtenido por evaporación a partir de una solución electrolítica que contiene nitrato de manganeso. Son más estables y pequeños que los condensadores de aluminio, tienen menos fugas, más larga vida útil y pueden trabajar a más altas frecuencias. Sin embargo, son más costosos, escasos y su voltaje de trabajo es relativamente bajo.

Los condensadores de película, figura B7, son similares en su construcción a los cerámicos, pero utilizan como dieléctricos materiales plásticos como el poliestireno, el policarbonato, el polipropileno y el poliéster o Mylar. Estos últimos son los más utilizados. En muchos casos, la película plástica está metalizada con el fin de conseguir una alta eficiencia volumétrica, es decir una alta capacitancia en un volumen pequeño. Estos últimos son particularmente adecuados para aplicaciones de potencia (motores monofásicos, lámparas fluorescentes, ventiladores eléctricos, fuentes conmutadas, etc.).

Aplicaciones

Las aplicaciones de los condensadores son muy amplias y variadas, pero pueden agruparse en las siguientes categorías generales:

• Bloqueo de niveles DC
• Acoplamiento de etapas
• Derivación de señales AC
• Filtración
• Sintonización
• Generación de formas de onda
• Almacenamiento de energía

En circuitos DC, los condensadores actúan básicamente como dispositivos de carga. En las fuentes de alimentación lineales, por ejemplo, se utilizan condensadores de gran capacitancia para convertir la DC pulsante obtenida a la salida del rectificador en DC uniforme. El ripple o rizado que queda de este proceso se elimina mediante condensadores de baja capacitancia para obtener DC pura.

Una de las principales propiedades de los condensadores es su habilidad para bloquear la DC mientras dejan pasar la AC. Esto los hace muy valiosos en situaciones donde sólo se desea la una o la otra, pero no ambas. En los sistemas digitales, por ejemplo, se utilizan extensivamente condensadores de bypass para eliminar los transientes AC que se inducen en las líneas de alimentación DC como resultado de los cambios de estado. Si estos transientes no se derivan a tierra, pueden influenciar la operación de la circuitería lógica y generar resultados impredecibles.

Otro campo donde los condensadores juegan un papel extremadamente importante es como temporizadores de intervalos, largos o cortos. Un condensador, asociado a una resistencia o una bobina, no se carga ni se descarga instantáneamente, sino que requiere un cierto tiempo (predecible) para alcanzar un nivel determinado. Este hecho se aprovecha para establecer constantes de tiempo en osciladores, temporizadores, filtros, generadores de formas de onda, etc.

Trabajo realizado por:

Hugo Muller