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?
El termistor (o resistor térmico) se define como un tipo de resistor cuya resistencia cambia rápidamente con el pequeño cambio de temperatura. En otras palabras, es un tipo de resistor en la que el flujo de corriente eléctrica cambia rápidamente con un pequeño cambio de temperatura. La palabra termistor se deriva de la combinación de las palabras «térmico» y «resistor».
Los Termistores son componentes pasivos que no necesita una fuente de energía adicional para funcionar. Son una forma precisa, barata y robusta de medir la temperatura.
Aunque los termistores no funcionan bien a temperaturas extremadamente altas o bajas, son el sensor preferido para muchas aplicaciones diferentes.
Símbolo
El símbolo de la norma americana y de la norma internacional del termistor se muestra en la siguiente figura.
Construcción
Para fabricar un termistor, 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?
El principio de funcionamiento de un termistor es que su resistencia depende de su temperatura. Podemos medir la resistencia de un termistor con un óhmetro.
Si conocemos la relación exacta entre cómo afectan los cambios de temperatura a la resistencia del termistor, entonces al medir la resistencia del termistor podemos derivar su temperatura.
La variación de la resistencia depende del tipo de material utilizado en el termistor. La relación entre la temperatura y la resistencia de un termistor no es lineal. A continuación se muestra un gráfico típico de un termistor:
Si tuviéramos un termistor con el gráfico de temperatura anterior, podríamos simplemente alinear la resistencia medida por el óhmetro con la temperatura indicada en el gráfico.
Dibujando una línea horizontal a través de la resistencia en el eje-y, y dibujando una línea vertical hacia abajo desde donde esta línea horizontal se cruza con el gráfico, podemos obtener la temperatura del termistor.
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)
Para entender la diferencia básica entre los termistores NTC y PTC podemos utilizar esta ecuación lineal para la relación entre el cambio de temperatura y resistencia.
dR = k dT
Donde:
- dR = Cambio de resistencia
- k = Coeficiente de temperatura
- dT = Cambio en temperatura
El coeficiente de temperatura puede ser positivo o negativo y cambia completamente la propiedad eléctrica del componente. Un termistor que tiene un coeficiente positivo se llama PTC, mientras que un termistor de coeficiente negativo se llama NTC.
Termistores de Coeficiente de Temperatura Negativo (NTC)
La resistencia de los termistores NTC (Negative Temperature Co-efficient) disminuye con el aumento de la temperatura. En otras palabras, el flujo de corriente eléctrica a través de los termistores NTC (Negative Temperature Co-efficient) 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.
Usos 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. Algunos de los usos más comunes de los termistores incluyen:
- 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.