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Questa piccola resistenza da pochi centesimi decide se una linea di produzione da milioni di euro continua a lavorare… …oppure si ferma all’improvviso per un guasto. Il problema è che, molto spesso, le resistenze vengono scelte o dimensionate nel modo sbagliato: si surriscaldano, cambiano valore, arrivano persino a bruciarsi. In questo video vediamo insieme perché succede, come funziona davvero una resistenza dentro al circuito, e come scegliere quella giusta per non distruggere LED, alimentatori, schede e quadri elettrici. Alla fine faremo anche un esperimento estremo: porteremo una resistenza sottodimensionata al limite, così puoi vedere con i tuoi occhi cosa succede quando sbagli il calcolo. E intanto ti lascio una domanda: se ho in serie una batteria, una resistenza e un LED, la resistenza va messa prima o dopo il LED? La risposta tra poco. 1. Cosa fa davvero una resistenza Partiamo dalla base: una resistenza è un componente che rende più difficile il passaggio della corrente. Prendiamo come esempio questo circuito, la batteria fornisce una tensione (simbolo V) si misura in volt: è la “spinta”, la “forza” totale tra il POSITIVO e il NEGATIVO che fa scorrere gli elettroni. Invece, la corrente (con il simbolo I) si misura in ampere: gli ampere ti dicono quanta “corrente” passa nel filo, cioè quanta carica elettrica scorre ogni secondo. In parole povere: più ampere = passa più corrente. Ora entra in gioco la resistenza, indicata con il simbolo R e misurata in ohm: è il componente che limita quanti ampere possono scorrere nel circuito. Più è grande la resistenza, meno corrente riesce a passare. Negli schemi elettrici la riconosci dal simbolo: rettangolare negli standard europei, a zig-zag in quelli americani. Questa formula che si è creata è legge di Ohm: Tensione uguale a resistenza per corrente. Queste tre grandezze sono legate fra loro, e i tre valori si influenzano a vicenda. Ecco anche le sue formule inverse. In pratica succede che: • Se la tensione aumenta e la resistenza resta uguale, la corrente aumenta. • Se la resistenza aumenta e la tensione resta uguale, la corrente diminuisce. • Se tensione e resistenza aumentano o diminuiscono nello stesso rapporto, la corrente resta uguale. Quando la corrente è alta, la resistenza si trova a dover “gestire” molta energia che la attraversa: più energia passa ogni secondo, più potenza deve dissipare, e quella potenza finisce inevitabilmente in calore. Ed è qui che iniziano i problemi. 2. Come una resistenza protegge un LED Prendiamo un LED rosso e una batteria da 12 volt e 10 ampere-ora; misuriamo una tensione di 12,45 volt. E qui arriva la cosa importante: questa batteria non è “gentile” come potrebbe sembrare. In un circuito come quello molto semplice e diretto che stai guardando, se nulla la limita, può erogare per pochi secondi correnti enormi, dell’ordine di centinaia di ampere. Un LED, invece, vive felice e luminoso con pochi milliampere. Quindi se lo colleghi direttamente alla batteria lo condanni. Qui la regola è proteggere il LED, con una Resistenza. Prendiamo queste due resistenze e, con il multimetro, misuriamo il loro valore in ohm. Più avanti nel video vedremo anche come riconoscerlo al volo semplicemente guardandole. La prima è dichiarata da 47 Chilo-ohm e misura 46,2 Chilo-ohm. La seconda è dichiarata da 2,2 Chilo-ohm e misura 2,17 Chilo-ohm. Ecco la risposta della domanda all’inizio del video: secondo te, partendo dal polo negativo, mettiamo prima il LED o prima la resistenza? Ti sorprenderà sapere che non cambia nulla! Funzionerà comunque! Essendo in serie, la corrente è limitata sia prima che dopo la resistenza, ed è la stessa in ogni punto del circuito. Colleghiamo in serie: polo positivo ? resistenza da 47 Chilo-ohm ? LED ? e polo negativo. Il LED come vediamo si accende appena perché stiamo facendo passare una corrente minuscola, ma così facendo lo stiamo proteggendo da una batteria enormemente sovradimensionata. Possiamo misurare che il LED rosso ha una caduta di tensione ai suoi capi di 1,77 volt. Misuriamo finalmente la corrente che attraversa il circuito, che limitata dalla resistenza, è di 0,23 milliampere. Tutti i calcoli coincidono. Ora sostituisco la 47 Chilo-ohm con la 2,2 Chilo-ohm. Il LED si vede molto meglio perché con questa resistenza minore stiamo lasciando passare più corrente. Possiamo misurare che il LED rosso ha ora una caduta di tensione ai suoi capi di 1,95 volt. E che la misura della corrente in serie è 4,8 milliampere. Anche qui tutti i calcoli coincidono. Così facendo stiamo facendo funzionare efficacemente un piccolo LED con una batteria che lo terrà acceso per teoricamente 86,8 giorni. Quindi il punto è che la batteria può dare tantissimo, ma non decide lei quanta corrente passa. La decide il circuito, e con la resistenza gli stai mettendo un limite. 3. Com’è fatta una resistenza È giunto il momento di vedere cosa c’è dentro la resistenza! Una classica resistenza a barilotto (cioè un resistore assiale) è composta da tre parti principali, ognuna con un ruolo ben preciso: La prima (la più importante) è il materiale resistivo. Può essere uno strato sottile di carbonio, uno strato sottile di metallo, oppure un filo resistivo avvolto. È questa parte che stabilisce il valore della resistenza, cioè quanto il componente ostacola il passaggio della corrente. Per regolare con precisione il valore resistivo, nello strato di carbonio o di metallo viene spesso inciso un solco a forma di spirale: in questo modo, allungando e assottigliando il percorso degli elettroni, la resistenza aumenta. La seconda parte di cui è composta sono i terminali, chiamati anche reofori. Sono i due fili metallici di entrata e uscita della corrente che permettono alla resistenza di essere collegata al circuito. Infine c’è il corpo e l’isolamento. All’interno troviamo un’anima in ceramica, che dà rigidità meccanica; mentre all’esterno c’è un rivestimento isolante che protegge il componente da umidità, calore
e agenti esterni. 4. Tipi di resistenze: dall’elettronica di base all’industria Nel mondo reale trovi diversi tipi di resistenze, e ognuna serve a qualcosa di diverso. Vediamo le più comuni. 1. Resistenze a film (carbonio o metallo) 2. Resistenze SMD (chip) 3. Resistenze di potenza (wirewound, corazzate, su dissipatore) 4. Resistenze variabili e “intelligenti” Qui rientrano diverse famiglie: • Potenziometri e reostati • i Termistori NTC/PTC • i Varistori • e LDR (fotoresistenze). Come leggere il valore di una resistenza Per capire il valore di una resistenza, non serve imparare tutto a memoria: ti basta sapere come guardare e usare queste GUIDE RAPIDE che adesso ti faccio vedere. Sulle resistenze a film trovi delle bande colorate. La logica è semplice, ecco la GUIDA RAPIDA: • le prime 2 (a volte 3) bande indicano le cifre significative, • la banda successiva è il moltiplicatore (la potenza di 10, cioè quanti zeri devi aggiungere), • l’ultima banda (spesso leggermente separata) indica la tolleranza. Riprendendo la nostra resistenza di prima vediamo che ha 4 bande (giallo, viola, arancione, e oro) si legge che: • Giallo = 4 • Viola = 7 • Arancione: vuol dire “× 10³” (cioè aggiungi tre zeri) • Oro: tolleranza ±5% Quindi il valore nominale di questa resistenza è 47 × 10³ ohm, cioè 47.000 ohm (ossia 47 Chilo-ohm), con tolleranza ±5% (più o meno tra 44,65 Chilo-ohm e 49,35 Chilo-ohm). Prima abbiamo misurato che effettivamente erano 46,2 Chilo-ohm (che rientra pienamente in questo range) Sulle SMD, invece, trovi una marcatura stampata. Anche qui per leggerla devi basarti su poche regole generali che puoi vedere su questa GUIDA RAPIDA: • con un codice numerico, le prime cifre sono le cifre significative e l’ultima cifra è l’esponente del moltiplicatore (la potenza di 10 associata, cioè quanti zeri devi aggiungere), Per esempio, in questa scheda vedi una resistenza marcata 4872: significa 487 × 10² = 48,7 Chilo-ohm • Se compare la lettera R, quella indica direttamente il punto decimale (quindi la “virgola” nel valore in ohm). Come in quest’altra resistenza 1R3: qui la “R” fa da virgola, quindi vale 1,3 ohm. • In alcuni casi possono comparire anche altre lettere (tipo K o M) che indicano direttamente migliaia o milioni di ohm. 6. Dimensionamento: quando “solo 0,1 Watt in più” ti distrugge il circuito Una resistenza “si brucia” per una cosa sola: la fai lavorare oltre la sua potenza nominale e quei watt diventano calore. Qui usiamo una resistenza da 100 ohm e sappiamo con certezza che è da 1 watt per un motivo banale: è un dato fondamentale scritto nella sigla e nel datasheet. Nel nostro circuito batteria + LED + resistenza, la potenza che la resistenza deve smaltire si calcola così: La potenza dissipata dalla resistenza è uguale al quadrato della differenza tra la tensione della batteria e la tensione ai capi del LED, diviso per il valore della resistenza. Noi prima abbiamo misurato: batteria a 12,45 volt, e LED a 1,95 volt. Quindi sulla resistenza restano 10,5 volt, e facendo il conto ottieni circa 1,10 watt. Ora: 1,10 Watt “sulla carta” sembra pochissimo più di 1 Watt… ma nella realtà significa scaldare parecchio. E qui cambia tutto rispetto all’esperimento precedente: con la 2,2 Chilo-ohm eravamo a circa 4,8 milliampere, ed il LED era felice. Qui invece siamo a 105 milliampere: oltre 20 volte tanto. Purtroppo infatti, il LED qui non funziona più, perché si è bruciato all’istante. Non ha nemmeno avuto il tempo di brillare, perché non lo abbiamo protetto. Possiamo salutarlo. Ma allora a questo punto rifacciamo l’esperimento senza LED, solo resistenza ai capi della batteria! Adesso nella resistenza passano la bellezza di 124,5 milliampere e 1,55 Watt di potenza (solamente una volta e mezza quello per cui è stata progettata). Ora misuriamo davvero cosa succede, senza teoria: cronometro, termometro, e guardiamo quanto scalda e soprattutto quanto in fretta sale la temperatura. A circuito aperto la resistenza è a 19,4 °C: temperatura ambiente, tutto normale. Dopo 10 secondi la temperatura è salita a 29,9 °C. secondo voi a che temperatura dovrebbe lavorare una resistenza come questa? Tra poco ci arriviamo. Dopo 30 secondi siamo già a 49 °C, una temperatura che solitamente si trova all’interno di un pc ben ventilato a pieno carico. Continuo a misurare a intervalli regolari di 10 secondi, così vedi chiaramente non solo quanto scalda, ma anche quanto in fretta sale la temperatura quando la fai lavorare poco sopra il limite. A 1 minuto ormai la resistenza ha superato i 90 °C. E qui va detta una cosa che molti sottovalutano: le resistenze possono arrivare tranquillamente a 120–200 °C quando dissipano vicino alla loro potenza nominale, soprattutto in aria ferma. Non è un caso raro: è proprio quello che succede quando la dimensioni al limite e le condizioni non sono perfette. In un impianto reale quel calore non resta “solo lì”: si trasferisce al circuito stampato o alla morsettiera, scalda i cavi, accelera l’invecchiamento degli isolamenti, può deformare plastiche e supporti e, nei casi peggiori, diventa un innesco; non perché la resistenza “prende fuoco” da sola, ma perché nel tempo crea le condizioni giuste per far cedere qualcos’altro. E qui arriva la regola pratica: quando calcoli la potenza che la resistenza deve dissipare, non scegliere mai una resistenza “giusta giusta”. Prendila con potenza nominale almeno il doppio, e se puoi anche il triplo. Perché nella vita vera non sei in laboratorio: immagina quando sarà in un quadro chiuso, con aria ferma, al sole. La resistenza smaltisce molto peggio il calore e quindi, a parità di watt, si scalda di più, cambia più facilmente comportamento e vai più facilmente fuori specifica. E il finale, di solito, è sempre lo stesso: quadro annerito, componenti stressati, fermo linea, diagnosi lunga. Una resistenza dimensionata bene è un componente che nessuno nota, perché tutto funziona. Una resistenza dimensionata male… si fa notare subito.