Componenti Passivi. Dr. L.Scucchia

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1 Componenti Passivi Dr. L.Scucchia

2 RESISTORI I resistori sono componenti elettrici che presentano ai loro terminali una resistenza elettrica. Conseguentemente tali elementi impongono una fissata relazione lineare tra la tensione ai loro capi e la corrente che li attraversa. Resistori Fissi Variabili Trimmer Trimmer, potenziometri e reostati Potenziometri Dipendenti da grandezze fisiche Fotoresistenze

3 RESISTORI FISSI (1) Resistori a strato sottile ( thin film resistor) qualche μm di spessore ) Resistori a strato spesso ( thick film resistor) centinaia di μm di spessore) Resistori a filo ( wirewound resistor) La resistenza R di un conduttore è espressa mediante la: R = ρ l S R è espresso in ohm, l lunghezza del conduttore in metri, S sezione trasversale del conduttore in m 2 ρ(ohm m) resistività del materiale che costituisce l elemento di conduzione.

4 RESISTORI FISSI (2) Naturalmente i resistori reali lavorano in modo diverso dai corrispondenti elementi ideali ed il loro funzionamento è descritto mediante alcuni parametri, forniti dalla casa costruttrice: Valore nominale: Tolleranza: costituisce il valore di resistenza dichiarato o in altre parole il valore che il componente dovrebbe avere a temperatura ambiente (25 C). il valore effettivo del resistore, in generale, non coincide esattamente con quello nominale. Pertanto il produttore indica le tolleranze garantite, ovvero lo scarto percentuale massimo riscontrabile rispetto al valore nominale. Potenza nominale: rappresenta la massima potenza in watt che il resistore può dissipare in un ambiente con temperatura inferiore a 70 C. P 2 2 V = R I = R

5 RESISTORI FISSI (3) I resistori disponibili commercialmente presentano valori di resistenza e potenza definiti secondo alcuni standard comuni per le case di produzione. I valori effettivi delle resistenze, compresi tra alcuni decimi di Ohm ed alcune decine di Mega Ohm sono ottenuti moltiplicando tali numeri per 0.01, 0.1, 10, 100, E E E E E

6 RESISTORI FISSI (4) Esempio 4 Anelli (Marrone=1), (Nero=0), (Arancio=3) 10 x 10 3 = 10k ohm Tolleranza (Oro) = ±5% Esempio 5 Anelli (Giallo=4), (Violetto=7), (Nero=0), (Rosso=2) 470 x 10 2 = 47k ohm Colore Valore Moltiplicatore Tolleranza (%) Nero Marrone 1 1 ±1 Rosso 2 2 ±2 Arancio 3 3 ±0.05 Giallo Verde 5 5 ±0.5 Blue 6 6 ±0.25 Violetto 7 7 ±0.1 Grigio Bianco Oro - -1 ±5 Argento - -2 ±10 Nulla - - ±20 Tolleranza (Marrone) = ±1% R = R ( 1±ΔR) n

7 RESISTORI FISSI (5) Anche le potenze hanno un passo standard ed i valori più comuni con le corrispondenti dimensioni in mm sono riportate in tabella (si tenga presente che le dimensioni fornite sono valori di riferimento che possono variare da produttore a produttore) Potenza (W) Diametro (mm) Lunghezz a (mm) 1/ ¼ ½

8 RESISTORI FISSI (5) I resistori SMD sono reperiti sul mercato in differenti formati, specificati mediante 4 cifre. Le prime 2 indicanti la lunghezza e le altre l ampiezza. Package Larg. x Amp mm x 3.0 mm ( 0.18" 0.12" ) mm x 1.5 mm ( 0.12" 0.06" ) mm x 1.3 mm ( 0.08" 0.05" ) mm x 0.8 mm ( 0.06" 0.03" ) mm x 0.5 mm ( 0.04" 0.02") mm x 0.3 mm ( 0.02" 0.01" ) Nel caso di resistori SMD si possono considerare le seguenti corrispondenze /8 Watt /10Watt /16 Watt

9 CONDENSATORI (1) Nei circuiti elettronici, il condensatore svolge un ruolo fondamentale, esso si oppone alle variazioni in tensione e costituisce un circuito aperto in continua. DIELETTRICO ARMATURE C d = ε ε 0 r S S d La proprietà fondamentale del condensatore è di accogliere e di conservare cariche elettriche, che prende il nome di capacità. ΔQ C = Δ V ΔQ carica elettrica espressa in Coulomb (C) ΔV variazione di tensione espressa in Volt (V) Unità di misura: Farad (F) o sottomultipli 1 F 1 C = 1V Il valore capacitivo è determinato dalla superficie delle armature (S), la loro distanza (d) e dalla natura del dielettrico interposto (ε 0 ε r ). Una classificazione dei condensatori può essere fatta tenendo conto del dielettrico: A Pellicola Poliestere, Polipropilene, Polistirene, Carta Ceramici Elettrolitici

10 CONDENSATORI (2) Materiale ε r (C/m) ARIA POLISTIRENE ESPANSO 2.56 POLIESTERE 3.2 CARTA 4 PENTOSSIDO DI TANTALIO 26 CERAMICA Tipo A pellicola: Poliestere Polipropilene Polistirene Carta Ceramica: Singolo strato Multistrato (X7R) Elettrolitici: Ossido di Alluminio Tantalio Valori di capacità 1nF-15μF 100pF-10μF 10pF-47nF 1nF-.47μF 1pF-47nF 1nF-680nF 1μF-4700μF 0.1μF-150μF Tensioni Massime 1500V 2000V 630V 250V 50V-6KV 50V-200V V V Tolleranze 5%,10%,20% 1%,5%,10% 1%-10% +/-20% 2% 5%,10%,20% +/-20% +/-20%

11 CONDENSATORI (2) Condensatori a pellicola: Realizzati mediante un sandwich di strati conduttivi e di dielettrico arrotolati, connessi opportunamente ed incapsulati Fogli di metallo Pellicole metallizzate Strati di dielettrico Terminali Prodotti fino a capacità di qualche µf e per tensioni di lavoro fino a 2000 V. Adatti per l'impiego a bassa frequenza. Il film plastico utilizzato come dielettrico da tali condensatori può essere prodotto con spessori pari a pochi µm, resistendo comunque a tensioni abbastanza elevate.

12 CONDENSATORI (3) Condensatori Ceramici: Utilizzati in generale per alte frequenze, con dielettrico costituito generalmente da una massa ceramica, la cui costante dielettrica può essere variata tra 10 e

13 CONDENSATORI (4) Condensatori Elettrolitici Il dielettrico è costituito da un sottilissimo strato di ossido, realizzato direttamente sul metallo (l'alluminio) che fa da armatura e costituisce l'anodo (terminale positivo). Il catodo ( terminale negativo) è costituito da un elettrolita, un fluido elettricamente conduttore di solito formato da una soluzione salina od acida, e da un secondo elettrodo metallico che, nella maggior parte dei casi, coincide con il contenitore stesso

14 CONDENSATORI (5) Come per i resistori, soltanto determinati valori di capacità sono realizzati. La tabella sotto riportata rappresenta i valori di capacità commercialmente reperibili a partire dai pf ai μf relativi ad una determinata decade. Ad esempio considerando le centinaia di pf si possono reperire i seguenti valori: 100 pf, 120 pf,, 680 pf, 820 pf. Tabella dei valori commerciali di C

15 CONDENSATORI (6) Esistono 3 tipi di codifica Sigla americana: il valore di capacità viene sempre espresso in µf, non viene utilizzato lo zero prima della virgola la quale è rappresentata da un punto. Esempio Una sigla come.022 indica quindi una capacità di 22 nf. Sigla europea: il valore di capacità viene scritto sostituendo alla virgola il simbolo del sottomultiplo relativo al valore. Esempio Una sigla come 4p7 indica quindi una capacità di 4,7 pf. Sigla asiatica: è simile al codice colori ma, anziché stampare le bande colorate, sono scritte 2 cifre valore ed una terza che indica quanti zeri aggiungere dopo le cifre valore. Il valore finale che indica la capacità è espresso in pf. Esempio La sigla 103 indica quindi una capacità di pf che equivale a 10 nf.

16 CONDENSATORI (7) Sono presenti altri simboli che specificano tolleranza e tensione di lavoro del condensatore. Tolleranza: viene indicata da una lettera subito dopo la sigla che specifica il valore. Le lettere normalmente utilizzate sono J - K - M, ed indicano rispettivamente 5% - 10% - 20%. Tensione di lavoro: tale valore indica la massima tensione sopportabile dal dielettrico. Se al dispositivo sono applicate tensioni maggiori, il dielettrico si fora, danneggiando il condensatore in modo definitivo. Viene espressa direttamente in volt mediante un numero stampato sul componente dopo la tolleranza. 332 J 250: La sigla indica un condensatore di 3300 pf, 5% di tolleranza e 250V di tensione massima..012 K 600: La sigla indica un condensatore di 12 nf, tolleranza 10% e 600V come tensione massima di funzionamento. 5p6 J 63: La sigla indica un condensatore di 5,6 pf, tolleranza del 5% e 63V di esercizio.

17 CONDENSATORI (8) I condensatori SMD con capacità da 1 pf ad 1 μf sono reperibili sul mercato con package aventi dimensioni analoghe a quelle dei resistori e le dimensioni sono specificate mediante il medesimo codice. Condensatore Ceramico Condensatore Poliestere M. Per valori di capacità maggiore ad 1 μf sono utilizzati i condensatori al tantalio e elettrolitici. Le cui dimensioni sono indicate mediante codici differenti.

18 CONDENSATORI (9) Alle alte frequenze i componenti reali hanno un comportamento diverso da quello ideale. In figura è riportato l andamento di Z per diversi condensatori da 0.1μ in funzione della frequenza. Gli effetti parassiti a elevate frequenze modificano il comportamento dell elemento: Capacità parassite legate alla struttura contenente l elemento, Resistenze relative ai reofori, e alle perdite del dielettrico, Induttanze relative ai reofori. C

19 CONDENSATORI (10) Un Modello molto usato per descrivere il comportamento dei condensatori in frequenza è riportto in figura: ESR ESL C C ESR= Effective Series Resistance: Equivalente serie delle resistenze R e R1. ESL= Effective Series Inductance: Equivalente serie delle Induttanze. Z (log) 1 ωc ωesl 2 1 Z = ESR + ωesl ωc 2 ESR f R f (log) Q = Fattore di merito con cui sono evidenziate le perdite del componente, pari a ω R per il rapporto tra energia media immagazzinata negli elementi reattivi e la potenza attiva dissipata da ESR. (Fondamenti di Elettrotecnica ) X X + X Q = = ESR ESR S C ESL

20 INDUTTORI (1) l N Presenta un comportamento opposto a quello del condensatore. Si oppone alle variazioni in corrente e costituisce un cortocircuito in continua. A - e + i Calcolo della forza f.e.m. indotta Legge di Faraday- Neumann-Lenz dφ e= N dt La corrente i nel circuito determina un flusso magnetico concatenato (fmc). La grandezza che lega la corrente all fmc è denominata coefficiente di auto-induzione o induttanza φ = Li Se l induttanza può essere considerata costante si ottiene la formula: e= L di dt

21 INDUTTORI (2) Calcolo dell induttanza di un solenoide Flusso magnetico concatenato φ = Li Dalla teoria dei campi elettromagnetici l induzione magnetica generata nello spazio interno di un solenoide è espresso mediante la: Il flusso concatenato allo stesso solenoide con sezione A, supponendo le linee di forza normali alla superficie delle spire, può essere espresso come : B = μ H = μ i φ = B N A N l L [H = Vs/A] dipende da 3 fattori : L = μ N l Il quadrato del numero di spire. La configurazione geometrica del flusso magnetico (A/l). Proprietà magnetiche del materiale intorno a cui sono avvolte le spire. B [T] induzione magnetica tale grandezza vettoriale esplicita la forza (F) indotta da un campo magnetico su delle cariche (q) in movimento con velocità v, (F [N]= q v B [CTm/s]) H [A/m] campo magnetico. μ [Ν/Α 2 ] permeabilità magnetica del materiale. Nello spazio libero μ=μ 0 =4 π 10 7 Ν/Α 2. μ è espressa come μ 0 μ r. 2 A

22 INDUTTORI (3) Air inductor : Bobine in aria a singolo e multiplo strato. d 3 l d 2 d L[ μh] = 10 N l d l, d cm [ ] 2 2 Core inductor: Bobine a singolo e multiplo strato. rod-core (barra) pot-core toroidal-core (toroidale) L [ μh] l, d, s, r rm N = 9 l + 10 s + 6 r m [ cm] m L [ μh] = 0.4πN μ A 10 l 2 2 i c c N = numero di spire μ i = permeabilità iniziale A c = sez. del nucleo in cm 2 l c = lunghezza del nucleo Per semplificare i calcoli i produttori raccolgono i parametri nell Indice di Induttanza A L LnH N A 2 ( ) = L N = L( nh ) A L

23 INDUTTORI (4) Alle alte frequenze i componenti reali hanno un comportamento diverso da quello ideale. Z di un generico induttore in funzione della frequenza. Gli effetti parassiti a frequenze elevate modificano il comportamento dell elemento: C Capacità parassite legate alla struttura. Resistenze legate alla struttura e ai reofori. Resistenze legate alle perdite del core. C C L R p Q ω L S Rs

24 INDUTTORI (5) Componenti in tecnologia TH Componenti in tecnologia SM