No existen los componentes simples: el caso del resistor

En cualquier plan de estudios de Ingeniería Eléctrica, una de las primeras cosas que aprenden los estudiantes son las leyes básicas relacionadas con los componentes pasivos (resistores, condensadores e inductores) y suelen comenzar con la ley de Ohm (el voltaje es igual a la corriente por la resistencia, o V = I × R). Junto con las ecuaciones, vienen los dibujos esquemáticos, con sus representaciones estandarizadas de América del Norte (Figura 1). (Otras regiones del mundo usan símbolos diferentes, pero ese es otro tema).

Figura 1: Este diagrama esquemático muestra los tres componentes pasivos básicos: resistor, condensador e inductor, pero no muestra las sutilezas de cada uno en una aplicación determinada. (Fuente de la imagen: Solved Problems)

Si observa esa línea en zigzag que representa el resistor, conociendo su función, usted podría pensar “¿qué podría ser más simple?”. El resistor se define, principalmente, por su valor de resistencia en ohmios y, a partir de allí, quizás por algunos otros parámetros, como la potencia de salida, y eso es prácticamente todo lo que ve el estudiante. Incluso en el laboratorio práctico, casi todos los proyectos son de baja potencia y bajo voltaje, por lo que sus resistores adoptan una de dos formas: una de ellas es la versión “con plomo” (también conocida como “orificio pasante”), útil para el tablero de prueba. Un ejemplo de uno de estos dispositivos es el RC14KT100K de Stackpole Electronics (Figura 2).

Figura 2: Este resistor con plomo es fácil de manejar y usar en placas de prueba. (Fuente de la imagen: Stackpole Electronics)

La otra forma es el paquete básico del dispositivo de montaje en superficie (SMD) de “chip”, como el CR1206-JW-104ELF de Bourns (Figura 3). El SMD se ubica sobre una placa de CI, pero es mucho más difícil de manejar o sondear.

Figura 3: Este dispositivo de montaje en superficie mucho más pequeño es un resistor de chip del mismo valor que la versión de orificio pasante, pero mucho más difícil de manejar y sondear manualmente. (Fuente de la imagen: Bourns Inc.)

Lo que sucede luego es que este estudiante de ingeniería consigue un trabajo, se encuentra con varios circuitos en el mundo real y puede que tenga que ayudar a completar la lista de materiales (BOM). Ahí es cuando la realidad lo golpea, y puede golpearlo con fuerza.

¿Por qué? Si ingresa el término de búsqueda básico “resistor” en el cuadro de búsqueda de DigiKey, obtendrá cinco categorías principales de resistores de valor fijo:

• Resistor de chip: montaje en superficie.
• Resistores con orificios pasantes.
• Resistores del montaje del chasis.
• Redes y matrices de resistores.
• Resistores especializados

Eso es solo el comienzo: si profundiza, se encontrará con aún más subdivisiones. Por ejemplo, en “Resistores especializados”, encontrará resistores de alta potencia, baja inductancia y rango de miliohmios que se utilizan para detección de corriente, así como otros de hilo bobinado altamente inductivos en decenas de kilohmios utilizados para el manejo de potencia.

Elección del resistor correcto

¿Cuál es el resistor “adecuado” para el proyecto? A veces, la decisión es relativamente fácil. Si se trata de un diseño básico, de baja potencia y bajo voltaje con una placa de CI estándar, un resistor de chip probablemente sea adecuado para comenzar. Aun así, es probable que deba considerar algunas cuestiones:

• ¿Qué tolerancia inicial es aceptable? ¿±20%, ±1% o un valor intermedio?
• ¿Qué sucede cuando la disipación de potencia de I²R está más allá de un valor pequeño, menos de un vatio?
• ¿Qué pasa con el coeficiente de temperatura de resistencia (TCR), que puede ser tan alto como 1000 partes por millón por grado Celsius (ppm/⁰C) hasta unas pocas ppm/⁰C?
• ¿Qué sucede con la autoinductancia, que puede no ser un problema en un circuito de CC, pero es muy importante en un circuito que opera con frecuencias de decenas o centenas de kilohercios y más?
• ¿Debería utilizar resistores individuales o una matriz de resistores que ahorre espacio y proporcione un seguimiento del coeficiente de temperatura, pero que puede requerir un enrutamiento de seguimiento de la placa de CI más complicado?

También hay problemas de confiabilidad, solidez y tensiones que son sutiles:

• ¿Qué condiciones de funcionamiento internas y externas enfrentará este resistor en un uso normal y quizás algo anormal?
• ¿Se utilizará el resistor en una aplicación automotriz donde debe cumplirse con la especificación AEC-Q200 “Calificación de prueba de esfuerzo para componentes pasivos”^1? De ser así, ¿cuál de sus cinco grados de temperatura, de 0 a 4, es apropiado?
• ¿Qué sucede con los diversos estándares de confiabilidad relacionados con las fuerzas armadas, como los que se mencionan en las “Directivas, manuales y estándares militares relacionados con la confiabilidad”?²

Muchas empresas importantes cuentan con especialistas llamados “ingenieros de componentes”, cuyo conocimiento les permite evaluar la idoneidad de un componente seleccionado para la aplicación, más allá de las especificaciones de primer nivel. A menudo, no se respeta demasiado a estos ingenieros, ya que no participan en la parte “creativa” del diseño y la depuración. Sin embargo, si no trabaja con ellos al comienzo de la fase de diseño, es posible que desee haberlo hecho. Pueden alertarle sobre posibles trampas con la pregunta “¿ha tenido en cuenta tal o cual aspecto para cuando el producto esté en el campo, donde estará sujeto a (elija una o más de una) temperatura extrema, humedad, vibración, niebla salina, descarga electrostática, EMI/RF…?” y la lista continúa.

Por ejemplo, observemos esta gama de resistores de chip plano RK73-RT de KOA Speer Electronics (Figura 4). No solo cumplen con los estándares AEC-Q200, sino que también ofrecen características antisulfuración gracias al uso de un material de electrodo superior interno a prueba de sulfuración, excelente resistencia al calor y a la intemperie gracias a la película gruesa de esmalte metálico, y alta estabilidad y confiabilidad con su estructura de electrodos de triple capa (Figura 5). Tenga en cuenta que este no es un resistor “extraño”: debido a su clasificación AEC-Q200 y a otros factores, tiene una gran demanda.

Figura 4: Los resistores de chip plano de la familia RK73-RT de KOA Speer Electronics pueden parecer resistores de chip normales, pero también cumplen con los estándares AEC-Q200 y brindan resistencia contra los peligros ambientales. (Fuente de la imagen: KOA Speer Electronics)

Figura 5: El rendimiento de los resistores de la gama RK73-RT de KOA Speer Electronics se logra mediante una combinación de materiales, diseño y técnicas de fabricación. (Fuente de la imagen: KOA Speer Electronics)

Es fácil simplificar demasiado la selección de componentes por ignorancia e, incluso, por arrogancia. Hace algunos años, mientras trabajaba en una empresa que fabricaba grandes sistemas de ensayo de materiales con importantes aspectos de diseño mecánico, un ingeniero mecánico senior (ME) expresó su preocupación por un posible problema a largo plazo en una de las vigas estructurales. En respuesta, uno de nuestros ingenieros eléctricos (EE) bromeó: “¿Cuál es el problema? Es cuestión de agregar una extrusión de aluminio para soportarlo”. El ME fue a su oficina y regresó con un libro grande que enumeraba cada extrusión de aluminio estándar de la industria junto con su perfil, resistencia a la tracción, fragilidad, resistencia a la corrosión y otros factores. Arrojó el libro sobre la mesa y le dijo al EE: “¡Adelante! Si es tan simple, elija uno”.

Conclusión

La lección aquí es clara: detrás de cada componente “aparentemente simple”, incluso el resistor básico, hay mucho que considerar. Para algunos diseños, la especificación clave con respecto a la tolerancia, la potencia, el tamaño y las condiciones de funcionamiento es pertinente y modesta, y en ese caso, un resistor básico bastante simple debería ser adecuado. Pero, fuera de esos casos, hay muchas especificaciones de segundo y tercer nivel que pueden aprobar o desaprobar un diseño en evaluación, o incluso peor, en el campo.

La educación es una buena forma de empezar a lidiar con este problema. Una búsqueda mostrará muchos artículos y notas de aplicación sobre estos temas. Las notas de aplicaciones del proveedor también son un recurso valioso y, si bien algunas pueden estar sesgadas hacia las ofertas del proveedor, un buen ingeniero debería poder juzgar las afirmaciones y quedarse con lo que tenga sentido. Los ingenieros de aplicaciones para distribuidores también son un muy buen recurso, ya que tienen una visión amplia y brindan perspectivas generales, así como la experiencia de trabajar con una base de clientes diversa. Deténgase, pregunte, mire y escuche, y así, evitará problemas.

Referencias:

1 – http://www.aecouncil.com/Documents/AEC_Q200_Rev_D_Base_Document.pdf

2 – https://www.weibull.com/knowledge/milhdbk.htm