Historia de la resistencia de lámina metálica
En el año 1856 Lord KelvinOn the Electro-Dynamic Qualities of Metals:--Effects of Magnetization on the Electric Conductivity of Nickel and of Iron (January 1, 1856), Proceedings of the Royal Society of London, 546–550. a partir de sus investigaciones sobre las propiedades electrodinámicas de los metales, informó por primera vez que los conductores metálicos sujetos a tensión mecánica exhiben un cambio en su resistencia eléctrica. Para investigar este fenómeno usó un circuito de puente de Wheatstone con un galvanómetro como indicador.
Lord Kelvin demostró que los conductores metálicos sujetos a elongación mecánica (deformación) presentaban un cambio en la resistencia, un aumento de la misma y las deformaciones por compresión producían una disminución. En la Royal Society de Londres, Kelvin informó sobre un experimento en el que se estiraron con un peso longitudes paralelas y unidas de alambres de cobre y hierro y se midió la diferencia en su cambio de resistencia. Kelvin determinó que, dado que el alargamiento era el mismo para ambos cables, el efecto observado depende verdaderamente de las variaciones en sus conductividades.
miniaturadeimagen|Medicion del estiramiento de dos hilos de metal bajo el mismo peso.|205x205pxEl "nicromo" temprano fue una mejora importante sobre el alambre de aleación de hierro tanto en eficiencia eléctrica como en resistencia física.
Las aleaciones de cromo-níquel se caracterizan por tener una gran resistencia eléctrica (unas 58 veces la del cobre), un pequeño coeficiente de temperatura y una alta resistencia a la oxidación.
Ejemplos son el Chromel A y el Nichrome V, cuya composición típica es de 80 Ni y 20 Cr, con su punto de fusión a 1420 °C.
Cuando se agrega una pequeña cantidad de hierro a la aleación de níquel-cromo, se vuelve más dúctil. El Nichrome y Chromel C son ejemplos de una aleación que contiene hierro. La composición típica de Nichrome es 60 Ni, 12 Cr, 26 Fe, 2 Mn y Chromel C, 64 Ni, 11 Cr, Fe 25. La temperatura de fusion de estas aleaciones es de 1350° y 1390 °C, respectivamente. En la figura se muestran las variaciones de la resistencia con la temperatura de estas aleaciones. Instrumentation in Scientific Research, Kurt S. Lion, 1959
miniaturadeimagen|centro| Este último gráfico pertenece al libro Procedures in Experimental Physics, de John Strong, escrito en el año 1938, página 546, las curvas representan los valores promedios de las variaciones porcentuales, de las mediciones de la resistencia eléctrica, de las distinta aleaciones, realizada a 20 ⁰C.Procedures in Experimental Physics, John Strong, pag. 546.
Estudio y desarrollo de la resistencia de lámina metálica. El estudio y desarrollo de la resistencia de lámina metálica,(metal foil resistor) se debió a muchos investigadores, algunos se enumeran a continuacion: Mark Robinson, Reuven Goldstein, Joseph Szwarc, Felix Zandman en 1962, Alexander Drabkin, Benjamin Solow.
Esta tecnología supera a todas las demás tecnologías de resistencias disponibles en la actualidad para aplicaciones que requieren precisión, estabilidad y confiabilidad.
miniaturadeimagen|centro| El proceso requiere una lámina adherida a un sustrato, que es una cerámica, que se fotograba para crear un patrón de trayectoria fina que proporcione un valor deseable. Una serie de lugares de recorte están dispuestos en el patrón, como se muestra en el dibujo anterior, como se muestra en A a E.
Como se muestra en C, el método de recorte es aumentar la resistencia cortando los puentes del modelo en la hoja de metal. El valor de la resistencia se puede hacer con una precisión de +/- 50 [ppm] o menos, del valor deseado cortando en varias de las ubicaciones de recorte.
Los lugares que se cortan para el recorte son donde el flujo de corriente eléctrica, flechas en el diagrama, no se verán afectados, por lo que el recorte no causará ruido eléctrico ni cambios a lo largo de los años.
El dibujo anterior refleja un modelo de resistencia de lámina metálica, muy simplificado y de fabricación más compleja, que se desarrollará a lo largo de todos los párrafos siguientes. miniaturadeimagen|centro|
Efecto de las variables físicas que influyen en el comportamiento eléctrico en metales y aleaciones Conducir electricidad es una de las características importantes de un metal y esto se debe a la presencia de un gran número de electrones casi libres que bajo la acción de un campo eléctrico aplicado son capaces de fluir a través de la red metálica.
Existen fenómenos dentro del metal que impiden el libre flujo de electrones, dispersándolos y dando lugar a una resistencia llamada resistencia eléctrica. Con las dimensiones conocidas del metal, se puede determinar una resistividad eléctrica específica del mismo. Esta resistividad es característica de ese metal en particular y depende de la temperatura.
La cantidad de corriente que circula en un conductor depende del campo eléctrico y de las propiedades del material. Para ciertos materiales, en especial metálicos, a una temperatura dada, es casi directamente proporcional al campo y el cociente entre campo eléctrico y cantidad de corriente es constante. Esta relación es la llamada ley de Ohm. A todos los materiales para los que esta ley se cumple se los denomina materiales óhmicos.
La resistividad ρ de un material se define como la relación de las magnitudes del campo eléctrico E y la densidad de corriente J: E / J = ρ, y la resistencia eléctrica a partir de la resistividad ρ y las dimensiones del metal resulta R = ρ L / A.
Esta resistividad es característica de ese metal o aleación en particular y depende de la temperatura T, fuerzas que actúan sobre el mismo F y de la composición física o estructura cristalina como se representa en el siguiente dibujo.
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Este último dibujo refleja una característica muy importante de las resistencias de lámina metálica y son las perturbaciones físicas a las que puede estar sometida, por ejemplo la capa de protección, una sustancia plástica, que se agrega a la lámina puede causar efectos negativos en el comportamiento o puede producir un efecto beneficioso, como se verá.INFLUENCE OF THERMAL STRAINS ON TEMPERATURE COEFFICIENT OF BULK METAL FILM RESISTORS , Felix Zandman and Daniel Post.
Resistencias
La tabla siguiente presenta las características de los distintos tipos de resistencia.RONALDF. DZIUBA,Electricity Division, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, Maryland, U.S.A.
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La resistencia es la propiedad de un material que determina la velocidad a la que la energía eléctrica se convierte en energía térmica para un determinado corriente eléctrica.
Por definición:
1 voltio en 1 ohmio = 1 culombio por segundo = 1 [amperio]
La disipación térmica en esta circunstancia es de 1 vatio.
P = E I = 1 voltio × 1 amperio = 1 [vatio].
Las resistencias se utilizan en todos los circuitos, como redes de polarización de transistores y combinadores de señales. Sin embargo, muy rara vez se piensa en cómo se comporta una resistencia una vez que nos alejamos del mundo de la corriente continua (CC).
En algunos casos, como en las redes de polarización de transistores, la resistencia seguirá realizando su función de circuito de CC, pero también puede interrumpir el punto de funcionamiento de RF del circuito.
Circuito equivalente de la resistencia de lámina metálica.Design and Selector Guide for High-Precision Resistors, Bulk Metal® Foil Resistors Design and Selector Guide, Vishay Foil Resistors miniaturadeimagen|centro|
Respuesta del sistema, que es circuito equivalente del resistor de lámina metálica a la aplicación de un escalón de tensión.
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El circuito equivalente de la resistencia de lámina metálica, alcanza el estado estable, en este caso 5 voltios, después de 15 nanosegundos, luego de ser excitado por el escalón de tensión de 10 voltios.
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Coeficiente de temperatura de la resistencia
Este coeficiente (TCR) a una dada temperatura T, se define como
TCR = (R – R0 )/[R0 (T – T0)]
R0, es la resistencia inicial a una temperatura T0 y R es la resistencia del componente a otra temperatura T.
El coeficiente de temperatura de resistencia (TCR) es el cálculo de un cambio relativo de resistencia por grado de cambio de temperatura. Se mide en ppm/°C (1 ppm = 0,0001 %).
Para resistencias de alta precisión, esta especificación generalmente se expresa en partes por millón (ppm) por grados Celsius, con referencia a la temperatura ambiente normal, generalmente +25 °C.
Funcionamiento de la resistencia de lámina metálica El efecto de pegar la lámina metálica a la cerámica, produce un cambio en el coeficiente de temperatura de la resistencia, TCR,INFLUENCE OF THERMAL STRAINS ON TEMPERATURE COEFFICIENT OF BULK METAL FILM RESISTORS Felix Zandman and Daniel Post y a partir de este fenómeno podemos regular el TCR, por ejemplo en el siguiente dibujo observamos lo que ocurre al cubrir la parte trasera de la cerámica con una capa de plástico epoxi.
miniaturadeimagen|centro| La capa pegada reduce el coeficiente de expansión térmica, a valores menores de 6[ppm/°C], al crear una fuerza que atenúa el movimiento de la estructura de la cerámica y con ello comprime mucho más a la lámina metálica, reduciendo por ende la resistencia eléctrica y produciendo un coeficiente de temperatura de la resistencia negativo.
Los elementos adheridos o en contacto con la cerámica, como los mostrados en la siguiente ilustración, son los utilizados en la fabricación del componente en un tipo del mismo, los terminales de cobre estañado, indicados con el número 3, están soldados a la capa metálica y luego envuelven al componente por la parte trasera y se apoyan en la cerámica, los cuales son fijados por una capa de plástico epoxi, indicado con el número 1 y eventualmente hay una mancha de alguna sustancia, indicada con el número 2; todos estos elementos producen un cambio errático en el comportamiento de la cerámica y por ende en su influencia en la capa metálica, produciendo efectos no controlados del coeficiente de expansión térmica de la cerámica y con ello el coeficiente de temperatura de la resistencia, esto limita la calidad del componente, fijando un límite del TCR.INFLUENCE OF THERMAL STRAINS ON TEMPERATURE COEFFICIENT OF BULK METAL FILM RESISTORS , Felix Zandman and Daniel Post. (tpmp, 1965.1135354)
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Agregando una capa de una laca, en la superficie de la lámina metálica, como se indica en la siguiente dibujo, expande aún más a la lámina metálica, aumentando su resistencia eléctrica y esto a su vez hace al TCR positivo.
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El encapsulamiento de la lámina metálica, puede producir efectos no deseados en el comportamiento del componente, tanto en las sustancias sobre la lámina metálica, como las sustancias sobre la cerámica.A NEW PRECISION FILM RESISTOR EXHIBITING BULK PROPERTIES, Felix Zandman and Sidney J. Stein.
Cuando se utiliza esta tecnología en las resistencias de montaje en superficie, SMR, se lleva a este componente a un extremo de influencias físicas, como lo demuestra la siguiente ilustración.
miniaturadeimagen|centro| Los efectos físicos más importantes de la última ilustración son en orden de importancia:
1) fuerzas de deformación introducidas por el circuito impreso,
2) la cobertura superior, de color celeste, sobre la lámina metálica,
3) cambios físicos en el estaño, los cuales introducen componente de fuerza aleatorio.
Formas de construcción de las resistencias de lámina metálica Estas resistencias están basadas en la tecnología de galgas extensiométricas y las mismas pueden adoptar distintas formas de construcción, como se muestra en el siguientes dibujos.
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Fabricación de las resistencias de lámina metálica