I resistori ad alta tensione vengono utilizzati nei dispositivi medici per mantenere le correnti elettriche entro intervalli preimpostati.
L'alta tensione utilizzata significa che è possibile utilizzare un numero inferiore di resistori per ottenere la corrente di uscita desiderata.
Questi resistori devono essere in grado di resistere a decenni di utilizzo, quindi sono costruiti con meno materiale e nella loro progettazione vengono presi in considerazione costi di produzione inferiori.
La maggior parte dei dispositivi medici non funziona a tensioni molto elevate (circa 1-2 V).
Tuttavia, ci sono alcune eccezioni.
Molti dispositivi diagnostici impiantabili (IDD) funzionano a 5-20 V e anche la frequenza operativa è in genere superiore all'intervallo generale.
Ciò significa che le considerazioni sui costi diventano più importanti quando si progetta un resistore ad alta tensione per dispositivi medici.
Di seguito spiegheremo come creare una soluzione a basso costo per resistenze ad alta tensione senza compromettere la sicurezza o l'affidabilità.
A cosa serve un resistore nei dispositivi medici?
I resistori ad alta tensione vengono utilizzati nei dispositivi medici per mantenere le correnti elettriche entro intervalli preimpostati.
L'alta tensione utilizzata significa che è possibile utilizzare un numero inferiore di resistori per ottenere la corrente di uscita desiderata.
Questi resistori devono essere in grado di resistere a decenni di utilizzo, quindi sono costruiti con meno materiale e nella loro progettazione vengono presi in considerazione costi di produzione inferiori.
La maggior parte dei dispositivi medici non funziona a tensioni molto elevate (circa 1-2 V).
Tuttavia, ci sono alcune eccezioni.
Molti dispositivi diagnostici impiantabili (IDD) funzionano a 5-20 V e anche la frequenza operativa è in genere superiore all'intervallo generale.
Ciò significa che le considerazioni sui costi diventano più importanti quando si progetta un resistore ad alta tensione per dispositivi medici.
Di seguito spiegheremo come creare una soluzione a basso costo per resistori ad alta tensione senza compromettere la sicurezza o l'affidabilità.
Cosa cercare in un resistore ad alta tensione
Basso costo – Alte tensioni significano che sono necessarie molte più resistenze per ottenere la corrente di uscita desiderata.
Se un dispositivo ha tensioni operative elevate, anche il costo dei resistori sarà più elevato.
Facilità di fabbricazione: i resistori ad alta tensione hanno in genere meno di 1 mm di diametro e lunghezze maggiori.
In genere sono anche materiale per circuiti stampati (PCB) FR-4 o FR-5, che è più facile da lavorare rispetto al più costoso FR-32.
Una costruzione di qualità superiore è importante per garantire che i resistori durino per decenni.
Alcuni produttori usano piste stagnate mentre altri usano cavi stagnati.
I resistori di qualità superiore hanno piste e conduttori placcati in argento.
Tolleranza back-EMF: man mano che i resistori si allungano, la resistenza del filo diminuisce.
Anche la controelettromotrice (forza elettromotrice) del resistore può aumentare a causa dell'aumento del flusso di corrente.
È quindi necessaria una tolleranza sulla risoluzione del valore del resistore per tenere conto di questi cambiamenti.
Ad esempio, un resistore con una variazione di valore del 5% (ad esempio, 9.9 ohm invece di 10.0 ohm) è accettabile.
Elevata affidabilità: i resistori ad alta tensione di solito funzionano a temperature comprese tra -15ºC e 85ºC.
Il primo è troppo freddo per evitare problemi come la deformazione dei resistori, mentre il secondo è troppo caldo per evitare problemi di affidabilità.
È quindi necessario un intervallo di temperatura di esercizio più elevato per evitare problemi di affidabilità.
Passaggio 1: identificare il bisogno
Il primo passo nella progettazione di un resistore ad alta tensione è identificare la tensione operativa e la frequenza operativa del prodotto.
Ad esempio, potrebbe essere necessario un resistore valutato per un massimo di 5 V e funzionante a una frequenza compresa tra 1kHz e 10kHz.
Successivamente, è necessario trovare i componenti giusti per soddisfare le proprie esigenze.
Una scelta popolare è il resistore speciale in ceramica (CSR).
Il CSR è più comunemente utilizzato per applicazioni ad alta potenza grazie alla sua costruzione di alta qualità, elevata affidabilità e basso costo.
Un'altra scelta popolare è il materiale PCB FR-4 grazie alla sua convenienza e facilità di fabbricazione.
Uno stretto concorrente del CSR e del PCB è il materiale FR-5.
Come il PCB, il materiale FR-5 è relativamente economico.
Tuttavia, il CSR e il PCB hanno il vantaggio di essere in grado di resistere rispettivamente ad alte tensioni e alte temperature.
Il materiale FR-5, d'altra parte, manca della resistenza del PCB alle alte tensioni e quindi non è affidabile in alcune applicazioni.
Passaggio 2: scegli il materiale giusto
Quando si sceglie il materiale giusto per il resistore ad alta tensione, è necessario prendere nota della tensione operativa e della temperatura operativa del materiale.
Ad esempio, il materiale PCB è più comunemente utilizzato a temperature inferiori a -20ºC.
Il CSR e il PCB hanno il vantaggio di poter sopportare rispettivamente alte tensioni e alte temperature.
Un tipo di materiale relativamente nuovo è il polimero FR-5 con anima in metallo.
Il polimero è più economico dei materiali PCB e FR-5 PCB e viene spesso utilizzato a temperature di esercizio più elevate.
Tuttavia, non è resistente come il PCB o l'FR-4 e può essere danneggiato dall'umidità.
Quando si sceglie il materiale giusto per il resistore ad alta tensione, è necessario prendere nota della tensione operativa e della temperatura operativa del materiale.
Passaggio 3: calcolare la capacità e l'ESR
I resistori hanno una certa quantità di capacità, che influisce sulla loro frequenza e impedenza.
Il valore ESR (Equivalent Series Resistance) è la resistenza equivalente della capacità ed è piuttosto importante, poiché tiene conto della componente CC dell'impedenza.
La capacità è misurata in picofarad (pF) o millifarad (mF).
Nella maggior parte dei casi, la tolleranza dell'1% del condensatore è più che sufficiente per un resistore ad alta tensione.
L'ESR è la resistenza equivalente della capacità ed è piuttosto importante, poiché tiene conto della componente CC dell'impedenza.
Passaggio 4: aggiungere parti per creare un modello di scheda schematica
Dopo aver identificato i componenti, calcolato i loro valori e scelto un materiale per il tuo resistore ad alta tensione, è il momento di metterli insieme su un modello di scheda schematica.
Il modello di scheda schematica è un layout standard di breadboard senza saldatura utilizzate per progettare circuiti elettronici.
Il layout dovrebbe avere una colonna di componenti a sinistra e una colonna di binari di alimentazione a destra.
Ci sono alcune cose da tenere a mente durante la progettazione di un modello di scheda schematica.
Innanzitutto, è necessario assicurarsi che i componenti siano posizionati correttamente e rientrino nell'ingombro consigliato dei binari di alimentazione.
In secondo luogo, è necessario assicurarsi che i componenti siano alimentati con tensioni inferiori.
Infine, è necessario assicurarsi che il circuito sia protetto da eventuali tensioni elevate che potrebbero essere presenti.