Los diseñadores deben comprender la causa y el impacto del VCR y cómo mitigarlo

Muchos diseñadores desconocen que las resistencias tienen un coeficiente de resistencia de tensión (VCR) y un coeficiente de resistencia de temperatura (TCR). Esto es comprensible porque en aplicaciones de baja tensión y baja resistencia, los efectos de la tensión son menores y quedan bien enmascarados por los efectos de la temperatura. Sin embargo, en circuitos que utilizan altas resistencias o altas tensiones (HV), la variabilidad de la resistencia con la tensión puede ser un gran problema. Estos circuitos se utilizan en aplicaciones como fuentes de alimentación de alta tensión, amplificadores de transimpedancia (TIA), iluminación LED de alta tensión y sistemas de comunicaciones pulsadas. Los diseñadores de este tipo de circuitos deben comprender la causa y el impacto de la RVC y cómo mitigarlo.

Este artículo ofrece una visión general del VCR y su impacto en el diseño de circuitos. A continuación, utiliza ejemplos de resistencias de baja VCR de Stackpole para ilustrar cómo seleccionar y aplicar dichos dispositivos para minimizar los efectos de la VCR en apoyo del funcionamiento preciso y fiable de los circuitos críticos.

¿Qué es?

La VCR de una resistencia puede definirse como el cambio en el valor de la resistencia proporcional a una tensión aplicada. Generalmente, se mide en unidades de partes por millón por voltio (ppm/V) y puede calcularse mediante la ecuación:

Donde:

R₁ es el valor de la resistencia, en ohmios (Ω), a una tensión de referencia (V₁)

R₂ es el valor de la resistencia, en Ω, a la tensión de prueba (V₂)

V₁ es la tensión de referencia

V₂ es la tensión de prueba

El VCR puede ser positivo o negativo. Un VCR positivo indica que la resistencia aumentará al incrementar la tensión a través de la resistencia, mientras que un VCR negativo indica que la resistencia disminuirá.

Las resistencias de chip de alta tensión típicas con un VCR de 200 ppm/V a 300 ppm/V mostrarán un cambio de resistencia de 20% a 30% para un cambio en la tensión aplicada de 1000 V. La elección de una resistencia con un VCR de 25 ppm/V a 50 ppm/V reduce el cambio en la resistencia a 2.5 a 5% para el mismo cambio de 1000 V.

El método de prueba estándar para medir el VCR sigue el método 309 de MIL-STD-202G. Esta norma establece métodos uniformes para probar componentes electrónicos, especificando la tensión de prueba estándar igual a la tensión de trabajo máxima especificada, y el nivel de tensión de referencia de 10% de la tensión de trabajo máxima.

Cómo minimizar el VCR

El VCR puede minimizarse mediante un diseño y una selección de materiales adecuados. En este caso, la elección de los materiales resistivos requiere un compromiso de ingeniería, ya que los materiales resistivos de bajo VCR pueden mejorar el VCR, pero también pueden aumentar el TCR, reduciendo la estabilidad de la temperatura. La selección de tintas de menor resistencia también mejorará el VCR, pero limitará la resistencia máxima alcanzable. Una cuidadosa selección del tipo de tinta resistiva y del método de aplicación puede optimizar el VCR.

El recorte por láser también puede afectar al VCR. Las resistencias no recortadas suelen ofrecer valores de resistencia entre 5 y 20% del valor previsto. El recorte por láser se utiliza para ajustar los valores de resistencia dentro de una tolerancia menor, por ejemplo, dentro del 1%. El proceso de recorte por láser puede degradar el VCR al generar microfisuras que dan lugar a cambios de impedancia locales no intencionados, que aumentan el VCR (Figura 1).

Figura 1: Los efectos físicos del recorte por láser de resistencias de chip de película gruesa pueden degradar el VCR. (Fuente de la imagen: Stackpole Electronics Inc.)

Minimizar el uso del recorte láser reduce estos efectos, al igual que la selección de la geometría de recorte láser y el tamaño del envase. En general, los paquetes más grandes ofrecen un VCR reducido.

Aplicaciones de las resistencias de bajo VCR

Las resistencias chip de bajo VCR encuentran aplicaciones en iluminación LED, dispositivos médicos, equipos audiovisuales y sistemas de comunicaciones que requieren HV o altos valores de resistencia. Un buen ejemplo de circuito es un TIA (Figura 2). Este amplificador toma una entrada de corriente y emite una tensión proporcional.

Figura 2: Un TIA convierte una entrada de corriente en una salida de tensión proporcional al valor de la resistencia de realimentación. (Fuente de la imagen: Art Pini)

La tensión de salida de un TIA es igual al producto de la corriente de entrada y la resistencia de realimentación, R_f.

Un uso común de la TIA es la interfaz con fotodiodos, acelerómetros, tubos fotomultiplicadores y sensores similares en los que la respuesta de corriente del sensor es más lineal que su respuesta de tensión. Generalmente, estas aplicaciones requieren una alta ganancia, lo que a su vez significa una resistencia de realimentación de alto valor. Como el extremo de entrada de la resistencia se mantiene a masa, la resistencia ve toda la oscilación de salida. En muchos casos, la señal de entrada puede ser pulsada, como en las pruebas de interferencia electromagnética (EMI) o de choque mecánico, lo que provoca grandes oscilaciones de tensión en la resistencia.

Un cambio en el valor de la resistencia relacionado con el voltaje a través de la resistencia resultará en la modulación de la ganancia del amplificador. Esta modulación añade un término al cuadrado a la tensión de salida. El término cuadrado aumenta el segundo y otros términos armónicos pares en la salida, causando problemas de linealidad y distorsión armónica. La cantidad de variación de la resistencia no tiene que ser grande para producir niveles de distorsión significativos.

Otra aplicación en la que se utilizan resistencias de bajo VCR es en los divisores de tensión (Figura 3), que se utilizan para reducir un nivel de tensión.

Figura 3: Las resistencias de bajo VCR se utilizan en circuitos divisores de tensión; reducen el nivel de tensión de una señal y suelen emplearse para realimentar una tensión alta a un dispositivo con una tensión de entrada inferior. (Fuente de la imagen: Art Pini)

El divisor de tensión se utiliza para aplicaciones como la detección de la salida de una fuente de alimentación de alta tensión y la retroalimentación al controlador de potencia. También puede utilizarse como atenuador para reducir una señal de alta tensión, como un impulso EMI o un rayo, a un nivel seguro para un instrumento de medida.

En casi todas las aplicaciones, la resistencia superior, R₁, tiene un valor mucho más alto que el de la resistencia inferior, R₂, y tiene la tensión más alta a través de ella. Se requiere una resistencia con VCR bajo para aplicaciones en las que la señal de entrada varía, como en la medición de un pulso EMI. El VCR hace que la atenuación de salida del divisor varíe con el nivel de tensión de entrada, provocando un error en la atenuación.

Suponiendo que la entrada es un impulso EMI sinusoidal amortiguado de 1000 V de pico, si R2 es de 1000 Ω, R1 es de 1 megaohmio (MΩ), y son resistencias ideales, la salida es un sinusoidal amortiguado con una amplitud de pico de 0.999 V. Si, por el contrario, R1 tiene un VCR de -200 ppm/V, entonces con una tensión de entrada de 1000 V, la resistencia disminuirá en 200 kilohmios (kΩ). La atenuación del divisor de tensión se reducirá y la amplitud de pico de la salida será de 1.25 V. Al variar la tensión de entrada, la atenuación variable distorsionará la forma de onda de salida.

Cuando se trata de valores elevados de resistencia y HV, es esencial tener en cuenta el VCR.

Ejemplos de resistencias de chip de alta tensión y bajo VCR

La serie RVCU de Stackpole de resistencias de chip de alta tensión y bajo VCR proporciona una estabilidad de tensión excepcional en rangos de tensión de 800 V a 3000 V, dependiendo del tamaño del encapsulado. La serie ofrece resistencias con tolerancias de resistencia de 0.5% a 5% en un rango de 75 kΩ a 30 MΩ. Todos ellos tienen un VCR de ±25 ppm/V para valores de resistencia inferiores a 3 MΩ y de 50 ppm/V para valores superiores de 3 MΩ a 30 MΩ. El TCR es común en todos los paquetes a 100 ppm/°C. Cumplen la norma AEC-Q200 para aplicaciones de automoción y han superado la prueba antiazufre ASTM-B-809.

La familia RVCU contiene resistencias en encapsulados de montaje superficial de 1206 (3216 métricas), 2010 (5025 métricas) y 2512 (6332 métricas) (Figura 4).

Figura 4: Se muestran las dimensiones mecánicas de las resistencias en chip de montaje superficial de la serie RVCU. (Fuente de la imagen: Stackpole Electronics Inc.)

El número de modelo del envase codifica las dimensiones de longitud y ancho. Los dos primeros números representan la longitud del envase, los dos últimos el ancho. Las dimensiones en EE. UU. se expresan en centésimas de pulgada (in), hasta el valor entero más próximo. Las dimensiones métricas son décimas de milímetro (mm). Los tres paquetes tienen una altura estándar de 0.022 in (0.55 mm). La especificación de tensión máxima de trabajo varía en función del tamaño del envase.

La RVCU1206FT1M00 de Stackpole, por ejemplo, es una resistencia de película gruesa de 0.33 vatios, 1 MΩ, 1% en un encapsulado de montaje superficial 1206. Tiene una tensión nominal máxima de trabajo de 800 V con un límite máximo de tensión de sobrecarga de 1000 V.

Para niveles de potencia ligeramente superiores, la RVCU2010FT1M00 es una resistencia de película gruesa de 0.5 W y 1 MΩ en un encapsulado de montaje superficial 2010. Esta resistencia tiene una tolerancia de 1%, una tensión máxima de trabajo de 2000 V y una capacidad máxima de sobrecarga de 3000 V.

La RVCU2512FT1M00 de Stackpole es una resistencia de chip de película gruesa de 1 MΩ, ±1% con una potencia nominal de 1 W.

Se presenta en un envase de montaje superficial 2512. La tensión de trabajo de este dispositivo es superior a la del RVCU2010FT1M00, de 3.000 V, con una tensión nominal de sobrecarga de 4000 V.

Conclusión

Los circuitos de alta tensión y alta resistencia necesitan resistencias con un VCR bajo para obtener precisión y estabilidad. Las resistencias de chip de la serie RVCU de Stackpole proporcionan un bajo VCR de 25 ppm/V a 50 ppm/V y están diseñadas para ofrecer una estabilidad excepcional a tensiones de 800 V a 3000 V.