La temperatura desempeña un papel fundamental en el funcionamiento de cualquier circuito electrónico.
Cada componente electrónico tiene su límite térmico y un rango de temperatura que debe mantenerse para un funcionamiento correcto y preciso.
Para controlar la temperatura, se utilizan varios sensores en los que un termistor es una solución eficaz y rentable.
La demanda de componentes o dispositivos precisos (termistores) ha aumentado en los últimos años. Los termistores miden la temperatura con precisión y funcionan eficazmente durante años.
¿Qué es un Termistor y Para que Sirve?
Un termistor es un resistor cuya resistencia depende de la temperatura. Es decir, los termistores aumentan o disminuyen la resistencia con los cambios de temperatura. El término es una combinación de «térmico» y «resistor».
Está fabricado con óxidos metálicos, prensados en forma de perla, disco o cilindro y encapsulados con un material impermeable, como epoxi o vidrio.
Normalmente, un termistor alcanza una alta precisión dentro de un rango de temperatura limitado de unos 50ºC alrededor de la temperatura objetivo. Este rango depende de la resistencia base.
Los termoresistores son fáciles de usar, baratos, resistentes y responden de forma predecible a los cambios de temperatura. Aunque no funcionan bien con temperaturas excesivamente calientes o frías, son el sensor preferido para aplicaciones que miden la temperatura en un punto base deseado. Son ideales cuando se requieren temperaturas muy precisas.
Símbolo
Los símbolos de los termistores se muestra en la siguiente figura.
Construcción
Para fabricar un termistor de temperatura, se mezclan dos o más polvos semiconductores de óxidos metálicos con un aglutinante para formar una pasta.
Se forman pequeñas gotas de esta pasta sobre los hilos de plomo. Para su secado, hay que introducirla en un horno de sinterización.
Durante este proceso, la pasta se encoge sobre los hilos de plomo para hacer una conexión eléctrica.
Este óxido metálico procesado se sella poniendo un recubrimiento de vidrio. Este recubrimiento de vidrio confiere una propiedad impermeable a los termistores, lo que contribuye a mejorar su estabilidad.
Hay diferentes formas y tamaños de termistores disponibles en el mercado. Existen termistores más pequeños que tienen forma de perlas con un diámetro de 0.15 milímetros a 1.5 milímetros.
Los termistores también pueden tener forma de discos y arandelas fabricados mediante el prensado del material del termistor a alta presión en formas cilíndricas planas con un diámetro de entre 3 milímetros y 25 milímetros.
Los termistores disponibles en el mercado tienen valores nominales de 1K, 2K, 10K, 20K, 100K, etc. Este valor indica el valor de la resistencia a una temperatura de 25°C.
Los termistores están disponibles en diferentes modelos: tipo perla, tipo varilla, tipo disco, etc. Las principales ventajas de los termistores son su pequeño tamaño y su coste relativamente bajo.
¿Cómo Funciona un Termistor? – ¿Cómo «Mide» la Temperatura?
En realidad, un termistor no «mide» nada, sino que su resistencia cambia con la temperatura. El grado de variación de la resistencia depende del tipo de material utilizado en el termistor.
A diferencia de otros sensores, los termistores son No Lineales, lo que significa que los puntos de un gráfico que represente la relación entre la resistencia y la temperatura no formarán una línea recta. La ubicación de la línea y su variación dependen de la construcción del termistor. Un gráfico típico de un termistor tiene este aspecto:
¿Cuál es la Diferencia Entre un Termistor y Otros Sensores?
Además de los termistores, se utilizan otros tipos de sensores de temperatura. Los más comunes son los detectores de temperatura por resistencia (RTD) y los circuitos integrados (CI), como los tipos LM335 y AD590. Qué sensor funciona mejor para un uso particular depende de muchos factores.
La tabla siguiente ofrece una breve comparación de las ventajas e inconvenientes de cada uno.
| Parámetro | Termistor | RTD | LM335 | AD592 |
|---|---|---|---|---|
| Rango de temperatura | Dentro de ˜50°C de una temperatura central dada | −260°C a +850°C | −40°C a +100°C | −20°C a +105°C |
| Coste relativo | Muy económico | Más caro | Moderadamente caro | Moderadamente caro |
| Constante de Tiempo | 6 a 14 segundos | 1 a 7 segundos | 1 a 3 segundos | 2 a 60 segundos |
| Estabilidad | Muy estable, 0.0009°C | ˜0.05°C | ˜0.01°C | ˜0.01°C |
| Sensibilidad | Alta | Baja | Baja | Baja |
| Ventajas | Durable De larga duración Altamente sensible tamaño pequeño Costo más bajo Mejor para medir la temperatura de un solo punto. | Mejor tiempo de respuesta Salida lineal Rango de temperatura de funcionamiento más amplio Mejor para medir un rango de temperaturas | Moderadamente caro Salida lineal | Moderadamente caro Salida lineal |
| Desventajas | Salida no lineal Rango de temperatura limitado Tiempo de respuesta lento | Caro Baja sensibilidad | Rango de temperatura limitado Baja sensibilidad Tamaño grande | Tiempo de respuesta más lento Rango de temperatura limitado Baja sensibilidad Tamaño grande |
Rango de temperatura: El rango general aproximado de temperaturas en el que se puede usar un tipo de sensor. Dentro de un rango de temperatura determinado, algunos sensores funcionan mejor que otros.
Costo relativo: Costo relativo ya que estos sensores se comparan entre sí. Por ejemplo, los termistores son económicos en relación con los RTD, en parte porque el material elegido para los RTD es el platino.
Constante de tiempo: Tiempo aproximado requerido para cambiar de un valor de temperatura a otro. Este es el tiempo, en segundos, que tarda un termistor en alcanzar el 63.2% de la diferencia de temperatura desde la lectura inicial hasta la final.
Estabilidad: La capacidad de un controlador para mantener una temperatura constante en función de la retroalimentación de temperatura del sensor.
Sensibilidad: El grado de respuesta a un cambio de temperatura.
Tipos de Termistores
Los termistores se clasifican en dos tipos en función de cómo se comportan con el cambio de temperatura:
- Termistor NTC (coeficiente de temperatura negativo)
- Termistor PTC (coeficiente de temperatura positivo)
Termistores de Coeficiente de Temperatura Negativo (NTC)
La resistencia de los termistores NTC disminuye con el aumento de la temperatura. En otras palabras, el flujo de corriente eléctrica a través de los termistores NTC aumenta con el incremento de la temperatura.
La mayoría de los termistores NTC se fabrican a partir de un disco prensado, una varilla o un chip fundido de material semiconductor, como los óxidos metálicos sinterizados.
En los termistores NTC, los portadores de carga se generan mediante un proceso de dopaje. Debido a este proceso de dopaje, se genera un gran número de portadores de carga.
Si la temperatura aumenta ligeramente, un gran número de portadores de carga (electrones libres) colisiona con los electrones de valencia de otros átomos y les proporciona suficiente energía. Los electrones de valencia que ganan suficiente energía rompen el enlace con el átomo padre y se mueven libremente de un lugar a otro. Los electrones que se mueven libremente de un lugar a otro se llaman electrones libres. Estos electrones llevan la corriente eléctrica mientras se mueven de un lugar a otro. El electrón de valencia que se convierte en un electrón libre vuelve a chocar con los otros electrones de valencia y los hace libres.
Asimismo, un pequeño aumento de la temperatura produce millones de electrones libres. Más electrones libres o portadores de carga significa más corriente eléctrica. Por lo tanto, un pequeño aumento de la temperatura disminuirá rápidamente la resistencia del termistor NTC y permitirá una gran cantidad de corriente eléctrica.
Termistores de Coeficiente de Temperatura Positivo (PTC)
La resistencia de los termistores de coeficiente de temperatura positivo (PTC) aumenta con el incremento de la temperatura. La mayoría de los termistores con coeficiente de temperatura positivo (PTC) están fabricados con cerámica policristalina dopada. Los termistores PTC también se denominan posistores.
Diferencia entre Termistor NTC y PTC
Las diferencias entre el termistor NTC y el termistor PTC son las siguientes.
| Termistor NTC | Termistor PTC |
|---|---|
| En un termistor NTC, el término «NTC» significa coeficiente de temperatura negativo. | En el termistor PTC, el término «PTC» significa coeficiente de temperatura positivo. |
| En este termistor, cuando la temperatura aumenta, la resistencia disminuye. | En este termistor, cuando aumenta la temperatura, aumentará la resistencia. |
| Los materiales utilizados para fabricar termistores NTC son: cobalto, óxidos de níquel, manganeso, cobre, etc. | El material utilizado para fabricar un termistor PTC es el titanato de bario. |
| Se utilizan en la medición y el control de aplicaciones basadas en la temperatura. | Se utilizan para proteger distintos circuitos de las altas temperaturas. |
| Son aplicables a temperaturas comprendidas entre -55°C y 200°C. | Son aplicables a temperaturas comprendidas entre 0°C y 200°C. |
| Un ejemplo es el termistor NTC SMD serie KT diseñado por ATC Semitec Limited. | Un ejemplo son los termistores PTC SMD diseñados por ATC Semitec Limited. |
Aplicaciones de los Termistores
Los termistores tienen una gran variedad de aplicaciones. Se utilizan ampliamente como una forma de medir la temperatura en muchos entornos diferentes como líquido y aire.
Los termistores se utilizan en las siguientes aplicaciones:
- Termómetros digitales (termostatos)
- Aplicaciones de automoción (para medir la temperatura del aceite y del refrigerante en coches y camiones)
- Electrodomésticos (como microondas, frigoríficos y hornos)
- Protección de circuitos (por ejemplo, protección contra sobretensiones)
- Baterías recargables (asegura de mantener la temperatura correcta de la batería)
- Para medir la conductividad térmica de los materiales eléctricos
- Útil en muchos circuitos electrónicos básicos (por ejemplo, como parte de un kit de inicio de Arduino para principiantes)
- Compensación de temperatura (es decir, mantener la resistencia para compensar los efectos causados por los cambios de temperatura en otra parte del circuito)
- Se utiliza en los circuitos de Puente de Wheatstone
Características
La relación que rige las características de un termistor son las siguientes:
Dónde:
- R1 = resistencia del termistor a la temperatura absoluta T1[°K]
- R2 = resistencia del termistor a la temperatura T2 [°K]
- β = constante que depende del material del transductor (por ejemplo, un transductor oscilante)
Podemos ver en la ecuación anterior que la relación entre la temperatura y la resistencia es altamente no lineal. Un termistor NTC estándar suele presentar un coeficiente de temperatura de resistencia térmica negativo de aproximadamente 0.05/°C.
Historia de los Termistores
El primer termistor NTC fue descubierto por Michael Faraday en 1833. Michael Faraday observó que la resistencia del sulfuro de plata disminuía rápidamente al aumentar la temperatura.
Termistor vs Termopar
Las principales diferencias entre un termistor y un termopar son:
Termistores
- Un rango de detección más estrecho (55 a +150°C – aunque esto varía según la marca)
- Parámetro de detección = Resistencia
- Relación no lineal entre el parámetro de detección (resistencia) y la temperatura
- Los termistores NTC tienen una disminución aproximadamente exponencial de la resistencia con el aumento de la temperatura
- Son buenos para detectar pequeños cambios de temperatura (es difícil utilizar un termistor con precisión y alta resolución en un rango de más de 50°C).
- El circuito de detección es sencillo y no necesita amplificación y es muy simple
- Por lo general, es difícil obtener una precisión superior a 1°C sin calibración
Termopares
- Tienen un amplio rango de detección de temperatura (Tipo T = -200-350°C; Tipo J = 95-760°C; Tipo K = 95-1260°C; otros tipos llegan a temperaturas aún más altas)
- Pueden ser muy precisos
- Parámetro de detección = tensión generada por las uniones a diferentes temperaturas
- La tensión del termopar es relativamente baja
- Tienen una relación lineal entre el parámetro de detección (tensión) y la temperatura
Termistor vs RTD
Los detectores de temperatura por resistencia (también conocidos como sensores RTD) son muy similares a los termistores. Tanto los RTD como los termistores tienen una resistencia variable que depende de la temperatura.
La principal diferencia entre ambos es el tipo de material del que están hechos. Los termistores suelen estar fabricados con materiales cerámicos o poliméricos, mientras que los RTD están hechos de metales puros. En términos de rendimiento, los termistores ganan en casi todos los aspectos.
Los termistores son más precisos, más baratos y tienen tiempos de respuesta más rápidos que los RTD. La única desventaja real de un termistor frente a un RTD es cuando se trata del rango de temperatura. Los RTD pueden medir la temperatura en un rango más amplio que un termistor.
Aparte de esto, no hay ninguna razón para utilizar un termistor frente a un RTD.