termistores

Trabajo realizado realizado por: Alfredo Gaspar Gaspar García

Índice

página 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Definición Breve historia del termistor Conceptos previos Tipos de termistores Características Características básicas Configuraciones del termistor Especificaciones Especificaciones eléctricas Aplicaciones 8.1. Medición de temperatura 8.2.Control de temperatura 8.3. Anemómetro 8.4. Medidor de caudal 8.5. Analizador de gas 8.6. Manómetro de vacío 8.7. Alarma/Control de llama piloto 8.8. Detector de nivel de líquido 8.9. Control de nivel de líquido 8.10. Circuitos de retardo de tiempo

9. Conclusiones 10. Bibliografía

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Termistores. Características y aplicaciones -

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1.Definición El termistor es un tipo de transductor pasivo, sensible a la temperatura y que experi experimen menta ta un gran gran cambio cambio en la resist resistenc encia ia eléctr eléctrica ica cuando cuando está está sujeto sujeto a pequeños cambios de temperatura. El término termistor procede del inglés THERMally sensitive resISTOR, es decir, resistencia sensible térmicamente. Se trata de un dispositivo semiconductor de dos terminales, relativamente sencillo, compuesto de óxidos metálicos como manganeso, níquel, cobalto, cobre, hierro o titanio.

Figura 1. Termistores. Los termistores se presentan en diversas configuraciones.

La temperatura de un termistor puede variar bien por cambios en la temperatura del ambiente en el que se encuentra el dispositivo, o bien por el autocalentamiento que se produce cuando se hace pasar una corriente eléctrica a través de él. El autocalentamiento puede ser indeseable en algunas aplicaciones, otras en cambio, basan su funcionamiento en dicho efecto. Aunque el termistor no sea tan conocido como otros dispositivos semiconductores, como pudieran ser los diodos o los transistores, tiene múltiples aplicaciones en campos campos tan divers diversos os como como instru instrumen mentac tación ión,, astron astronáut áutica ica,, comuni comunicac cacion iones, es, automóviles, medicina, aeronáutica. El term termis isto torr ofre ofrece ce alta alta sens sensib ibil ilid idad ad a los los camb cambio ios s de temp tempera eratu tura ra,, rapi rapide dez, z, estabilidad, precisión y flexibilidad a un precio relativamente reducido, siendo uno de los los elem elemen ento tos s más más comp compet etit itiv ivos os dent dentro ro del del camp campo o de los los sens sensor ores es de temperatura.

2.Breve historia del termistor El principio del termistor es conocido desde hace más de 100 años. El físico y químico británico Michael Faraday (1791 – 1867), conocido sobretodo por su trabajo sobre inducción electromagnética y electroquímica, realizó el que se considera el primer estudio sobre sobre termistores como como consecuencia de de sus investigaciones con el sulfuro de plata (Ag2S) en 1833. Debido Debido a las limita limitacio ciones nes tecnol tecnológi ógicas cas la fabric fabricaci ación ón y el uso comercia comerciall de los termistores no empezó hasta cien años después. Durante los primeros años de la década década de los 40, los labora laborator torios ios Bell Bell desarr desarroll ollaro aron n método métodos s para para conseg conseguir uir

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consistencia y repetitividad en el proceso de fabricación. Los primeros termistores comerciales tenían forma de disco y sus tolerancias eran bastante amplias. Estos dispositivos fueron empleados principalmente en la regulación, protección y compensación de temperatura en circuitos electrónicos. En las décadas de los 50 y 60, la expansión de la industria aeroespacial requirió de dispositivos más estables y precisos, haciéndose avances en los materiales utilizados para la fabricación de termistores de tipo cristal, disco y perla. En los 60 y 70, la demanda de dispositivos con tolerancias ajustadas en grandes cantidades a un precio económico llevó al desarrollo del termistor tipo chip. Como consecuencia del avance en la exactitud de estos dispositivos dada en los 80, se incrementó el uso de termómetros electrónicos en medicina. Durante los 80 y los 90 el uso de los termistores ha continuado creciendo, ampliándose a campos como el automóvil, el procesamiento de comida, medicina, HVAC o el campo de las comunicaciones. Figura 2. Tamaño de los termistores. El rango de dimensiones de los termistores es relativamente amplio, existiendo algunos con un alto grado de miniaturización.

3.Conceptos previos Antes de tratar con más detalle el comportamiento del termistor, quizá sea conveniente considerar los efectos que la temperatura provoca en los conductores. La corriente que circula por cualquier conductor está afectada en algún modo por la temperatura. Para una misma tensión y el mismo material, la intensidad que hay en el conductor varía en función de la temperatura. Por ejemplo, la corriente que circula por un cable de cobre a 100ºC es un 73’52% de la que circula por el mismo cable, cuando éste se encuentra a una temperatura de 10ºC. Esta relación, viene determinada por la expresión:

R t2 = R t1 [1 + α (t 2 – t 1 )]

Donde: t2 : Valor superior de la temperatura en ºC t1 : Valor inferior de la temperatura en ºC α : Coeficiente de temperatura del material en ohm por ohm por ºC Esta igualdad es válida para un rango limitado de temperatura. El platino es uno de los metales donde esta relación es más lineal, considerándose patrón internacional de temperaturas entre –190ºC a 600ºC. El término α de la anterior ecuación se denomina coeficiente de temperatura de resistencia del material. Depende, obviamente, del material y viene reseñado en las tablas de materiales o especificaciones de los fabricantes. La unidad en que viene expresado este coeficiente es el ohm. por ohm. por ºC o también como % por ºC. Así por ejemplo, el hilo de cobre tiene un coeficiente de temperatura de 0.004 ohm

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por ohm por ºC, es decir, por cada grado centígrado la relación de resistencia es de 0.004. Se aprecia que cuando el coeficiente de temperatura es positivo, la resistencia aumenta con la temperatura. Este comportamiento es característico de los metales puros. En cambio en otros materiales como los no metálicos, los aislantes o los semiconductores la resistencia disminuye con la temperatura, es decir, tienen un coeficiente de temperatura negativo. En la mayoría de dispositivos, no es deseable un cambio de resistencia debido a una variación de temperatura, diseñándose de forma que su coeficiente de temperatura sea el menor posible. Aleaciones con bajo coeficiente de temperatura son manganina, constantan o Nichrome. Sin embargo, en algunos casos el funcionamiento de un sistema debe ser controlado o modificado según los cambios de temperatura apreciados. En estas aplicaciones las resistencias convencionales no resultan adecuadas debido al ya mencionado bajo coeficiente de temperatura con el que están fabricadas. En cambio, elementos como los termistores resultan más convenientes.

4.Tipos de termistores En el termistor, la resistencia varía en un valor conocido, ya que el coeficiente de temperatura es cuidadosamente controlado durante el proceso de fabricación. Podemos clasificar los termistores en dos grandes grupos según el signo de su coeficiente de temperatura:

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PTC ( positive temperature coefficient ) : Termistores con coeficiente de temperatura positivo. Son resistencias constituidas por elementos semiconductores de titanato de bario, se caracterizan por modificar su estructura cristalina a una cierta temperatura (en torno a los 100 ºC), correspondiéndole un cambio brusco en su resistencia, pasando de valores de centenares de ohmios a decenas de megaohmios ).

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NTC ( negative temperature coefficient ) : Termistores con coeficiente de temperatura negativo altamente sensibles a cambios de temperatura (con valores entre –2%/K y –6%/K). Dentro de este grupo se encuentra la mayoría de termistores. Están fabricados con mezclas policristalinas de óxido de manganeso y níquel. Los cambios en la resistencia de los NTC, pueden ser debidos bien externamente a cambios en la temperatura ambiente o bien internamente como consecuencia de un autocalentamiento producido por el flujo de corriente en el dispositivo

Figura 3. Símbolos de termistores. Según el signo del coeficiente de temperatura, podemos clasificar a los termistores en dos categoría. Con coeficiente positivo (PTC) y con coeficiente negativo (NTC). Estos últimos son los más utilizados. 4


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En la siguiente gráfica, se muestra el comportamiento de ambos tipos de termistores ante un cambio de temperatura comparándolos con un termómetro de resistencia de platino, uno de los sensores de temperatura más lineal.

Figura 4. Gráfica de resistencia en función de la temperatura. Los termistores PTC , sufren un brusco aumento de resistencia con la temperatura a partir de un punto cercano a los 100ºC, los NTC en cambio experimentan una caída de resistencia a medida que aumenta la temperatura, abarcando un rango mucho más amplio. En cualquier caso el comportamiento no es lineal.

5.Características básicas Los termistores NTC, son ,de largo, más utilizados que los PTC; por ello nos referiremos aquí a las características principales que podremos encontrar en los termistores NTC. Rango de temperaturas y valores de resistencia. Los termistores NTC, exhiben un decremento en la resistencia eléctrica ante un incremento de temperatura. Dependiendo de los materiales y los métodos de fabricación se emplean habitualmente entre los –50ºC y los 150ºC y a más de 300ºC en algunas unidades encapsuladas en cristal. El valor nominal de un termistor se referencia a 25ºC ( Abreviadamente R25 ). En la mayoría de aplicaciones el valor de resistencia a 25ºC está ente 100ohm. y 100kohm, aunque se pueden producir con resistencias tan bajas como 10ohm. o tan altas como 40Mohm.

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La característica resistencia vs. Temperatura ( también conocida como curva R/T ) es la “escala” que nos permite usar el termistor como sensor de temperatura. Aunque ésta característica no es lineal, existen múltiples ecuaciones de interpolación para describir esta curva (por ejemplo la de Steinhart-Hart ). Sin embargo, la dependencia de la relación R/T a parámetros del proceso de fabricación hace que cada fabricante tenga sus propias curvas "estandarizadas", al contrario de lo que ocurre en otros dispositivos como el termopar o el RTD, para los que si que existen verdaderas curvas estándares. Los fabricantes suelen facilitar esta característica en forma de tablas donde el valor de la resistencia viene expresado en función de la resistencia nominal ( a 25ºC ).

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Resistencia vs. Temperatura 4000000 3500000 3000000

h O ( 2500000 a i c n 2000000 e t s 1500000 i s e R1000000

44004/44003 44006/44031

500000 0 -80 -63 -46 -29 -12 5

22 39 56 73 90 107 124 141

Temperatura (ºC)

Resistencia vs. Temperatura 10000000 1000000 h O ( a i c n e t s i s e R

100000 10000

44004/44003 44006/44031

1000 100 10 1 -80 -63 -46 -29 -12 5

22 39 56 73 90 107 124 141

Temperatura (ºC) Figura 5. Característica R/T del termistor. En estas gráficas se muestra la relación entre resistencia y temperatura para algunos tipos de termistores del fabricante Omega en escala lineal (arriba) y logarítmica (abajo). Los modelos 44003 y 44004 tienen una resistencia de 2252 ohm. a 25ºC, mientras que para los modelos 4406 y 44031 es de 10kOhm.

Sensibilidad a los cambios de temperatura. Los termistores NTC tienen una gran sensibilidad a los cambios de temperatura disminuyendo su resistencia del orden del 3% al 6% por cada ºC. Esta respuesta les da cierta ventaja con respecto

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a otros sensores de temperatura como los termopares o los RTD, si bien estos pueden operar a temperaturas que no están al alcance de los termistores. Intercambiabilidad. Otra característica importante de los termistores es el grado de intercambiabilidad que pueden ofrecer a un relativamente bajo coste, particularmente los dispositivos de disco y de chip. La intercambiabilidad se define como la precisión o tolerancia en el cual es producido y definido el termistor. Se suele expresar como una tolerancia de temperatura sobre un rango de temperatura. Por ejemplo, los termistores tipo disco o chip, se especifican con tolerancias de ± 0’1ºC y ± 0’2ºC sobre rangos de temperatura de 0ºC a 70ºC y de 0ºC a 100ºC. Gracias a la intercambiabilidad, por ejemplo, es posible reemplazar en un dispositivo de medición que utilice termistores, un termistor por otro sin necesidad de recalibrar el aparato de medida. Tamaño reducido. Las reducidas dimensiones de la mayoría de los termistores hacen que la respuesta a los cambios de temperatura sean muy rápidas. Esta ventaja es especialmente útil en la medición de temperatura y los sistemas de control que requieran de una rápida realimentación. Capacidad de sensibilidad a la temperatura de forma remota. Los termistores son muy apropiados en aplicaciones de medición de temperatura en las que se precise de una localización distante al punto a medir. La medición de la temperatura que se obtiene conectando un par de cables suficientemente largos con el termistor, es precisa ya que comparado con la relativamente alta resistencia del termistor, la que introducen los cables es insignificante.

6. Configuraciones del termistor Existen en el mercado, termistores con diferentes encapsulados dependiendo de la constitución y el modelo, especificaciones eléctricas y su aplicación final.

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Los termistores tipo perla, disco y chip son los más ampliamente utilizados en medición de temperatura. Aunque cada configuración es fabricada siguiendo un método específico, algunas técnicas generales se emplean en la mayoría de termistores: formulación y preparación del óxido metálico, pulverización y mezcla; tratamiento de calor para producir un material cerámico; adición de contactos eléctricos ( para discos y chips ), y para componentes individuales, encapsulación en un dispositivo con cubierta protectora y terminales.

Figura 6. Diferentes configuraciones de termistores. Se muestran algunas de los diversos tipos de termistores que nos podemos encontrar en el mercado.Las más habituales son las de perla, disco y chip.

Tipo perla El termistor tipo perla es, como su propio nombre indica, una pequeña perla de material termistor con un par de terminales. Este material termistor, se compone principalmente de una mezcla de óxidos metálicos. Una pequeña cantidad de esta mezcla semiconductora se deposita cuidadosamente sobre un par de hilos de platino paralelos, que conformarán los terminales. A cierta distancia y sobre el mismo par se coloca otra cantidad de

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material semiconductor, procediéndose de esta forma en toda la longitud de los hilos. Después de secarse la mezcla, toma la apariencia de unas “perlas” o “cuentas” . Posteriormente las perlas y los hilos se someten a temperaturas entre los 1100ºC y los 1400ºC. Durante este proceso las partículas de óxido metálico se agrupan permitiendo a los terminales una unión física y eléctrica más fuerte. Posteriormente los filamentos son cortados para formar unidades independientes y recubiertos o encapsulados por una cubierta de cristal que les proporciona protección y estabilidad. El margen de medidas común en este tipo de termistores es de 0’25 mm. a 1’5 mm.

Figura 7. Termistor de tipo perla. Los termistores tipo perla con cubierta de cristal se caracterizan por tener una excelente estabilidad y fiabilidad a temperaturas superiores a 300ºC. El relativo pequeño tamaño de este tipo de termistores permite una rápida respuesta ante los cambios de temperatura.

Tipo disco La apariencia externa de un termistor tipo disco es la misma que la del típico condensador cerámico de disco. Esencialmente es un disco de matrial termistor al que se le han añadido un par de terminales, éstos pueden estar montados axialmente o radialmente en la misma dirección o en direcciones opuestas. Incluso pueden estar fijados en la parte superior del disco. Los termistores tipo disco son fabricados mediante un preparado de polvo de óxido metálico, mezclado con una amalgama especial y comprimido a una gran presión. Los discos son después expuestos a altas temperaturas para formar cuerpos cerámicos sólidos. Se aplica posteriormente una película de plata en dos extremos del disco que servirán como contactos para la inclusión de los terminales.

Figura 8. Termistores tipo disco. En el esquema de la izquierda vemos el diseño de un disco sin cubierta. A la derecha con cubierta de material epóxico.

Una cubierta de material epóxico o cristal proporciona protección al dispositivo ante posibles daños. Los termistores tipo disco se venden con o sin la mencionada cubierta, las medidas de los termistores sin cubierta van desde los 1’3 mm. a los 2’5mm. de diámetro, mientras que en aquellos protegidos por la cubierta podemos encontrarlos con tamaños de 2’5mm. a 3’8mm. de diámetro.

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Tipo chip En la fabricación de los termistores con configuración de chip se utiliza una mezcla similar a la empleada en los termistores de perla. Este material se deja secar sobre una superficie de material cerámico que es cortado en pequeñas secciones en forma de oblea y sometido a altas temperaturas. Después de aplicar una gruesa capa de material metálico, las obleas son encajadas en chips. Los chips se pueden emplear como parte de un montaje o de forma individual. En este último caso, se añaden terminales y una cubierta de material epóxico o cristal. Las medidas de éstos van de los 2 mm a 2’5 mm., aunque los hay fabricados expresamente para aplicaciones que requieren un tamaño muy pequeño y una respuesta muy rápida y que pueden medir 0.5 mm.

Figura 9. Distintas configuraciones de los termistores tipo chip. Arriba: Con encapsulado de cristal. Centro: Con cubierta de material epóxico y sin cubierta. Aba o: Sin terminales.

Tipo arandela Los termistores de arandela son una variación de los termistores de disco excepto por tener un orificio central y carece de terminales aunque está provisto de dos caras metalizadas para establecer el contacto. Es frecuentemente utilizado como parte de un montaje.

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Tipo barra Este tipo de termistores, tienen toda l a apariencia de las típicas resistencias. Constan de un cuerpo cilíndrico de material termistor y de un terminal en cada extremo de la barra en forma radial o axial. Los termistores con forma de barra se emplean en aplicaciones que requieran de una resistencia y una potencia de disipación muy altas. Comparaciones entre diversas configuraciones Como ya se mencionó, los termistores tipo perla, disco y chip son los más ampliamente utilizados en medición de temperatura y a continuación se citan los pros y contras de estas configuraciones. Los termistores tipo perla con cubierta de cristal se caracterizan por tener una excelente estabilidad y fiabilidad a temperaturas superiores a 300ºC. El relativo pequeño tamaño de este tipo de termistores permite una rápida respuesta ante los cambios de temperatura. Sin embargo, para algunas aplicaciones estos dispositivos son difíciles de manejar durante el montaje y tienen el efecto de limitar su potencia de disipación. Además es caro producir este tipo de termistores con tolerancias ajustadas y que permitan la intercambiabilidad. En estos casos resultan más convenientes los termistores de tipo disco y chip ya que son relativamente más económicos. Los termistores tipo chip y disco tienen un tamaño mayor que los de perla, lo que permite una potencia de disipación mayor, a expensas, eso si, de peores tiempos de respuesta. Además este relativamente gran tamaño puede ser un problema en algunas aplicaciones. Por su geometría, los termistores de disco suelen tener más potencia de disipación que los chips. En cambio, por otro lado, los termistores tipo chip tienen cubiertas más pequeñas y resultan más manejables y rápidos que los discos. Los últimos diseños en termistores tipo chip, han acercado a éstos a las medidas y al tiempo de respuesta de los termistores de perla. En cualquier caso, los termistores de disco y de chip con características físicas y eléctricas equivalentes, pueden emplearse en las mismas aplicaciones sin que se aprecie ninguna diferencia significativa.

7. Especificaciones eléctricas Como se mencionó anteriormente, un flujo de corriente a través del termistor podría causar el calentamiento suficiente para elevar la temperatura del termistor por encima de la temperatura ambiente. Como el efecto del autocalentamiento no siempre es despreciable (incluso podría ser deseado) se hace necesaria una distinción entre las características de un termistor cargado eléctricamente de

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aquellas de un termistor descargado. Las propiedades de un termistor descargado son también llamadas características de potencia cero.

Termistores NTC no cargados Resistencia en función de la temperatura Como ya sabemos, la resistencia de un termistor de coeficiente negativo de temperatura disminuye cuando aumenta la temperatura. Esta relación no es en absoluto lineal, y existen diferentes aproximaciones las cuales dependen de parámetros del proceso. Una de las aproximaciones más conocidas es la de Steinhart-Hart: 1/T = a +b +(lnR) + c(lnR)3 ,donde T es la temperatura, R la resistencia y a,b,c

coeficientes

definidos por las mediciones.

Estos coeficientes se obtiene mediante calibraciones en tres puntos de temperatura y resolviendo posteriormente el sistema de tres ecuaciones resultante. La incertidumbre asociada a esta ecuación es menor que ± 0.005ºC para 50ºC. Existe también una versión simplificada de la ecuación de Steinhat-Hart, pensada para una resolución computacionalmente rápida: T= (1/(ln R) – a) – c

, donde T es la temperatura, R la resistencia y a y c, constantes del modelo definidas por ajuste.

Muy utilizada es la siguiente relación exponencial: R T = R N ⋅ e B. (1/T – 1/TN)

Donde: R T : Resistencia en ohm. del NTC a la temperatura T (en grados Kelvin) RN : Resistencia en ohm. del NTC a la temperatura TN (en grados Kelvin) T, TN: Temperatura (en grados Kelvin) B: Parámetro dependiente del material e: Base del logaritmo natural (2’71828) Esta última aproximación solo es aplicable en ciertos rangos de medición ya que el parámetro B, a su vez, depende de la temperatura siendo la ecuación poco precisa fuera de este rango. Por tanto, es importante conocer a que temperatura se refiere el valor de B. Típicamente, estas temperaturas son 25ºC (T1) y 100ºC (T2). Símbolo: B25/100. El valor de B para un termistor NTC particular puede determinarse midiendo la resistencia a 25ºC (R 1) y a 100ºC (R2) e insertando estos valores de resistencia en la siguiente ecuación, obtenida despejando B en la aproximación exponencial:

El rango de valores de B más comunes en los materiales NTC va de los 2000 a los 5000 K.

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Figura 10. Características resistencia/temperatura. Las curvas corresponden a distintos valores del parámetro B. Se aprecia que al aumentar éste, las pendientes se hacen más pronunciadas.

Tolerancia Los valores de B y R T están sujetos a tolerancias de fabricación. En función de la tolerancia de la resistencia se distinguen dos tipos básicos de termistores NTC: -

Termistores NTC de punto de equiparación: En estos termistores, la tolerancia de la resistencia se especifica para un punto de temperatura, usualmente 25º C. En principio, los termistores NTC pueden casar a otras temperaturas que las definidas en las especificaciones. Este tipo de termistores se utilizan en aplicaciones donde las mediciones llevan a cabo en un rango de temperatura muy preciso.

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Termistores NTC “Uni curve”: Cuando la precisión en la medición se requiere en un rango más amplio se emplean este tipo de termistores.

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Figura 11. Curvas típicas de tolerancia a la temperatura. A la izquierda se muestra el comportamiento para termistores de punto de equiparación. A la derecha el de termistores “uni”

Coeficiente de temperatura El coeficiente de temperatura ( α ) se define como el cambio de resistencia relativo debido a un cambio de temperatura. α

= (1/ R) (dR/dT)

Medición de potencia-cero. (Carga producida en la medición) La resistencia de potencia cero es el valor de la resistencia medido a una temperatura dada T con una carga eléctrica tan pequeña que no se aprecia un cambio en el valor de la resistencia si la carga es reducida aún mas. Una carga demasiado alta al realizar la medición, podría provocar un error en ésta debido al autocalentamiento, por tanto se ha de especificar la intensidad máxima permitida en la medición.

Termistores NTC cargados eléctricamente Cuando la corriente fluye a través del termistor, el dispositivo se calentará más o menos según la potencia de disipación. El efecto del autocalentamiento, depende no solo de la carga aplicada sino también del factor de disipación ( δ ) y la propia geometría del termistor. La regla general es: cuando más pequeño es el dispositivo, más pequeña es la carga permitida y la carga de medición (medición de potencia-cero).

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Característica tensión-corriente La característica tensión-corriente describe la variación de la corriente del termistor en función de la tensión aplicada, y en ella podemos diferenciar tres secciones: 1.- Se produce en esta sección un fuerte incremento cuando la potencia de disipación sólo genera un imperceptible autocalentamiento. La tensión y la corriente son proporcionales entre si, siendo la pendiente ( dV/dI = R = cte. ) de esta característica lineal (óhmica). El valor de la resistencia viene determinada exclusivamente por la temperatura ambiente. Esta sección de la curva se utiliza cuando los termistores NTC se emplean como sensores de temperatura. 2.- La sección de incremento no linear alcanza el máximo voltaje (“tensión de cresta”) cuando la resistencia comienza a descender. En el punto de máximo voltaje el decremento relativo de la resistencia ∆ R/R resultante del autocalentamiento es igual al incremento relativo de corriente ∆ I/I. ( R>dV/dI≥ 0 ) 3.- En la sección de pendiente negativa el decremento de resistencia es mayor que el incremento relativo de la corriente. ( dV/dI ≤ 0 ). Esta disminución de la caída de tensión, respondiendo a un aumento de la corriente, indica una región de resistencia negativa. La presencia de esta pendiente negativa en las características de conducción sugiere el uso del termistor como dispositivo activo sencillo en osciladores, amplificadores y conmutadores. En algunos circuitos de termistor, la región de resistencia negativa debe ser evitada puesto que el funcionamiento en esta zona puede ser causa de inestabilidad. La siguiente figura, muestra la característica tensión corriente dibujada en papel logarítmico, mostrando los niveles de potencia además de las correspondientes tensiones y corrientes.

Figura 12. Característica corriente-voltaje. Esta característica suele representarse en escala logarítmica logarítmica indicándose el tipo de ambiente en que se encuentra el termistor. Podemos apreciar las tres regiones a las que se hace referencia en el texto. Las tensiones de cresta son de unos 8 V. en el aire y de unos 10 V. en el caso del agua.

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Característica corriente-tiempo La variación de la corriente con el tiempo, en respuesta a una función escalonada o una tensión aplicada al termistor se indica normalmente para una temperatura ambiente dada (por ejemplo 25ºC). Esta característica, además de depender del tipo y dimensiones del termistor, es función de la tensión aplicada y de la resistencia del circuito exterior. Su valor puede estar comprendido en un margen que se extiende desde unos pocos milisegundos hasta varios minutos.

Comportamiento en diferentes medios La curva tensión-corrinte, no sólo esta influenciada por el valor de la resistencia del NTC sino que además depende del factor de disipación δ th. El factor de disipación depende a su vez del tamaño y la forma del NTC así como del medio que envuelve al dispositivo. De esta forma, el factor de disipación se incrementa , y con él aumentan los valores de tensión y corriente, al pasar del aire en reposo al aire en movimiento o a un líquido. Lo contrario pasa ocurre al pasar al vacío. La curva tensión-corriente, nos indica pues que medio envuelve al termistor. Esto permite que los termistores NTC puedan ser utilizados para detectar flujos de gases o líquidos para la medición en vacío o para el análisis de gases.

Potencia máxima ( Pmax ) Pmax es la máxima potencia que un termistor NTC es capaz de manejar sin peligro ni deterioro o degradación de sus características. Además de depender de la temperatura ambiente también lo hace del factor de disipación δ th, de este modo: P max = δ th ( Tmax –TA ) El valor de la potencia máxima puede estar entre 0’25 y 1’5 W.

Factor de disipación

th

El factor de disipación es la relación entre la variación (dP) en la disipación de la potencia del termistor y la variación correspondiente (dT) de la temperatura propia del termistor. Cuanto mayor es el factor de disipación más calor es disipado por el termistor a su entorno. δ

th = dP/dT

La constante de disipación viene determinada para una temperatura ambiente dada (típicamente 25ºC) y en ocasiones para unas condiciones ambiente particulares (aire en reposo,aire en movimiento, agua … ). Viene expresada en milivatios por grado centígrado y puede tomar valores desde 0’01 hasta 860 mW/ºC.

Capacidad calorífica Cth Cth es una medida de la cantidad de calor necesario para elevar en un grado kelvin la temperatura del termistor.

Constante térmica de tiempo (en frío)

c

La constante térmica de tiempo en frío indica el tiempo necesario en un termistor descargado para variar su temperatura un 63’2% de la diferencia entre su propia temperatura y la temperatura ambiente. Generalmente se toma este valor considerando aire en reposo y a una temperatura ambiente de 25ºC.

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La medición se realiza calentando internamente el termistor hasta una temperatura interna de 85º C y midiendo después el tiempo requerido para enfriarse a 47.1ºC a una temperatura ambiente de 25ºC ( 85ºC – 47’1ºC es el 63’2% de 85ºC – 25ºC )

Constante térmica de tiempo

a

La constante térmica de tiempo indica el tiempo que necesita un termistor descargado para elevar su temperatura interna de 25ºC a 62’9ºC cuando se encuentra en un medio a temperatura de 85ºC. Igual que la constante térmica de tiempo en frío, τ a depende del medio que envuelve al dispositivo y por tanto se ha de especificar.

Estabilidad y envejecimiento La estabilidad determina la constancia de las características del termistor bajo determinadas condiciones de trabajo o prueba. Puede tener una variación del 0’05% al 2’5% por año, a 25ºC.

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8.Aplicaciones 8.1. Medición de temperatura Los termistores ofrecen muchas ventajas en la medición de temperaturas. Su alta sensibilidad, rapidez, pequeño tamaño y robustez hacen del termistor un candidato ideal para este tipo de aplicaciones. El termistor no es costoso, puede situarse distante del equipo de prueba y dado que existe en dimensiones lo suficientemente reducidas, puede ser introducido en puntos de prueba inaccesibles para la mayoría de detectores. Además es resistente a la radiación y su salida de potencia eléctrica es suficientemente alta en la mayoría de los casos para no requerir amplificación. Hay que tener en cuenta, no obstante, que el rango de temperaturas en el que suelen trabajan los termistores es limitado ( de –40ºC a 300ºC ) y que hay que controlar que la corriente que circula por el termistor no sea suficiente para producir un excesivo autocalentamiento, que en estas aplicaciones resulta indeseable. El campo de especialidades en los que se utilizan los termistores para la medición de temperatura es muy extenso, estando presentes en áreas tan diversas como la aeronáutica, la biología, la fotografía, la medicina o la química

Puente de Wheatstone Para la medición de temperatura, el circuito del puente de Wheatstone ofrece precisión y sencillez. Se trata de un puente de cuatro ramas en el cual el termistor Rt se sitúa en una de elllas y el amperímetro A es el detector de cero o indicador de desequilibrio. Una rama ( R2 ), es un reostato para calibrar el puente. El puente puede ser equilibrado para el cero a cualquier temperatura dentro del margen de funcionamiento del termistor. En el cero, suponiendo un valor constante de la tensión aplicada, Rt/R3 = R2/R1 . Para el cero en cualquier temperatura, la relación entre el valor de ajuste del reostato R2 y la resistencia del termistor a dicha temperatura viene dada por la ecuación: R2 =Rt (R1/R3). Si el valor de la resistencias R1 y R3 es el mismo, el Figura 13. Puente de Wheatstone. Sencillo circuito

empleado en la medición de

término R1/R3 es uno, y el ajuste del reostato R2 indica directamente la resistencia del termistor. Conociendo dicha resistencia y la característica temperatura/resistencia del termistor se calcula el valor de temperatura medido. Si debe cubrirse un amplio rango de temperaturas, deberán conmutarse los valores de R1 y R3 con el fin de obtener una relación adecuada de puente para multiplicar la lectura de R2. Sin embargo, habrá que cuidar que la resistencia R3 no tome un valor excesivamente bajo, ya que en ese caso y a partir de cierto voltaje, la intensidad que circula por el termistor puede provocar

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un indeseable autocalentamiento. Por tanto existe un valor mínimo para la resistencia R3 y R1, debe calcularse adecuadamente para obtener la relación de puente debida.

8.2. Control de temperatura El anterior circuito de medición de temperatura o en general cualquier circuito de medición de temperatura puede utilizarse para el control de temperatura sin más que sustituir el elemento medidor por un relé. Eligiendo adecuadamente las constantes del circuito y del termistor, el relé abrirá o cerrará el circuito, según se requiera, a una temperatura determinada. Debido a su sensibilidad, el termistor puede proporcionar fácilmente un control de fracciones de grado de temperatura. La siguiente figura, muestra un circuito de control de temperatura que utiliza un puente AC con un termistor en una rama y un reostato en otra. Cuando la resistencia alcanza la temperatura deseada, el puente se desequilibra. Este desequilibrio es amplificado y llevado a un relé que actúa como fuente de frío o de calor. Cuando el termistor percibe la temperatura deseada, el puente se equilibra, abriendo el relé y cortando el calentamiento o enfriamiento.

Figura 14. Circuito de control de temperatura.

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8.3. Anemómetro El termistor posibilita la confección de un anemómetro sin partes móviles ni ruido mediante un circuito bastante sencillo. Se trata de un puente de cuatro ramas ( R1,R2,R3,R4) en el que dos de ellas (R1 y R4) son termistores adaptados. Una rama del punte (R5) es un reostato para equilibrar a cero el puente (ajustando previamente a cero el miliamperímetro M1). El reostato R3 es el control de calibración.

Figura 15. Anemómetro. Mediante este circuito podemos medir la velocidad del viento. Se disponen dos termistores, uno bajo la acción del viento, y otro en aire en calma que nos servirá como

En el exterior, expuesto al viento se monta rígidamente un termistor (R1) mientras que el otro termistor trabaja situado en una zona de aire en reposo y a la misma temperatura que el aire donde está el primer termistor. El primer paso es equilibrar el puente, ajustando el reostato R5. Cuando el termistor R1 es expuesto al viento, su temperatura, y por consiguiente su resistencia varía. Esta variación desajusta el puente causando una desviación en el miliamperímetro M1). Como que esta variación depende de la resistencia, y a su vez de la velocidad del viento, la escala del medidor puede graduarse, con la ayuda de un reostato de calibración R3, en unidades de velocidad (m/s, Km/h, …). Inversamente, si el puente es equilibrado de nuevo a cada nueva velocidad, el dial del reostato R5 puede ser calibrado directamente en unidades de velocidad. Este instrumento, presenta una ventaja importante respecto a anemómetros mecánicos y es su resistencia a fuertes vientos.

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8.4. Medidor de caudal El siguiente circuito, basado en el principio del anemómetro, se emplea para medir el caudal de gases o líquidos. Es un puente de cuatro ramas ( R1,R2,R3,R4,R5 ), en el cual dos ramas (R2 y R5) son termistores acoplados. Una rama (R4) es un reostato para equilibrar a cero el puente (ajustando inicialmente el miliamperímetro a cero) mientras que el otro reostato R3, es el control de calibración. Los dos termistores se encuentran en el conducto por el que circula el gas o líquido, sin embargo, mientras que R2 está inmerso en dicha corriente, R5 está situado en una cámara cerrada pero que tiene comunicación con el conducto. Es decir, ambos termistores se encuentran rodeados por el mismo medio pero en condiciones distintas, como ya ocurría en el anemómetro.

Figura 16. Medidor de caudal. Mediante este circuito podremos medir el flujo de gas o líquido que atraviesa un canal. El principio utilizado es el mismo que en el anemómetro .

Con la adecuada selección de parámetros del circuito y termistores, cada uno experimentará el mismo autocalentamiento. El funcionamiento es el siguiente, una vez abierto el canal al flujo de líquido o gas, el miliamperímetro es ajustado mediante R4. El termistor R2 puede liberar parte de su calor por disipación en el medio que circula, en cambio el termistor no puede hacerlo en la misma proporción al encontrarse protegido dentro de la cámara. El resultado es que ambos termistores no tienen la misma resistencia desequilibrándose el puente y desviándose la aguja de M1. Puesto que esta desviación depende de la variación de resistencia de R2, y por consiguiente de la velocidad del medio en el conducto, la

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escala del amperímetro puede ser graduada ( con ayuda del reostato R3 del control de calibración ) en unidades de caudal: cm/s, m/min. ,etc. Se puede también utilizar el amperímetro como referencia de cero y el reostato R4 ser calibrado directamente en unidades de canal.

8.5. Analizador de gas Mediante este analizador de gas, podremos conocer la relación entre dos gases cualesquiera, y la concentración del uno en el otro. El circuito de medición del analizador de gas es un puente de cuatro ramas en el que dos de ellas son termistores. Cada uno de estos termistores está montado en una cavidad distinta de un bloque de latón llamado célula de conductividad térmica, y que está llena de aire o gas ( o expuestas a flujo). Las resistencias de los brazos del puente se eligen, con respecto a la resistencia del termistor, de modo que tenga lugar un autocalentamiento apreciable en este último. El puente se equilibra inicialmente con aire en ambas cavidades. Si entonces se introduce en una de las cavidades algún otro gas cuya conductividad térmica sea distinta a la del aire, el autocalentamiento del termistor en aquella cavidad aumentará, provocando un desajuste en el puente. Mediante el control de calibración puede ajustarse esta desviación a plena escala en el medidor e indicará el 100% de gas.

8.6. Manómetro de vacío El siguiente circuito actúa como un manómetro de vacío, mediante el cual podemos cuantificar el grado de vacío en un recinto, valiéndose de un par de termistores:

Figura 17. Manómetro de vacío.

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De nuevo, nos encontramos con un puente de cuatro ramas, dos de las cuales son termistores acoplados. Otra rama R4, es un reostato para equilibrar el puente y R3 es el control de calibración. Uno de los termistores se coloca dentro de una cámara de vacío, mientras que el otro se encuentra en aire en reposo. Los dos experimentan la misma magnitud de autocalentamiento debida a la corriente del circuito. Antes de que en la cámara se haga el vacío equilibramos el puente mediante R4 ajustándose M1 a cero. Cuando se extrae el aire de la cámara, el termistor R5 puede liberar parte de su calor (en el aire que le rodea) en mayor cantidad que el termistor R2, puesto que este último no tiene aire a su alrededor. De esta forma, se produce un cambio de resistencia distinto en ambos termistores desequilibrándose el puente y desviándose M1. Como esta desviación depende de la resistencia y, por consiguiente, del grado de vacío, la escala del medidor puede graduarse directamente en unidades de vacío (mm. de mercurio, grados Torricelli, etc.). Inversamente, si el puente se equilibra en cada nivel de vacío, el dial del reostato R4 puede calibrarse para medir directamente unidades de vacío.

8.7. Alarma/control de llama piloto En muchas instalaciones domésticas o industriales es importante conocer cuando se apaga accidentalmente una luz piloto o una llama continua. Este circuito emplea un termistor del tipo PTC.

Figura 18. Control/alarma de piloto o llama

En este montaje, el PTC se monta rígidamente cerca de la llama de forma que es calentado con seguridad por esta última pero sin ser dañado por el calor. Este termistor se conecta en serie con la fuente de alimentación y remotamente a un dispositivo de alarma adecuado (lámpara, timbre,…) o un dispositivo de control (válvula accionada eléctricamente para el corte del suministro de gas). Mientras la llama está encendida, el termistor PTC está caliente y su resistencia es elevada (del orden de 100kohm.). La corriente del circuito es demasiado pequeña, por consiguiente para activar el dispositivo de control o alarma. Cuando la llama se apaga, la resistencia del termistor desciende hasta su valor en frío, aumentando la corriente y activándose el dispositivo.

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8.8. Detector de nivel de líquido Un termistor puede disipar su propio calor más fácilmente en líquido en reposo que en aire en reposo. Este comportamiento sugiere su utilización en sistemas de detección o de control de nivel de líquido.

Figura 19. Detección de nivel de líquido en un depósito.

Podemos colocar el termistor en un recipiente como se muestra en la figura, teniendo en cuenta que si el fluido a controlar es inflamable, se ha de mantener la corriente del termistor al mínimo practicable. Inicialmente, la superficie del líquido está por debajo del termistor y por consiguiente, éste está dentro del aire en reposo. Si se cierra el interruptor, la corriente que circula por el termistor abre el relé, desconectando el dispositivo de alarma de la fuente de alimentación. Esta corriente también produce algo de autocalentamiento en el termistor determinando la resistencia en el aire del termistor. Cuando aumenta el nivel del líquido, cubre al termistor enfriándole y produciendo un incremento en la resistencia de este último. El aumento de resistencia provoca una disminución de la corriente que circula por la bobina del relé de tal forma que se cierra permitiendo el paso de corriente hacia el indicador. La alarma cesará cuando baje el nivel, causando el fenómeno inverso, o cuando desconectemos el interruptor.

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8.9 Control de nivel de líquido Mediante un circuito similar al anterior, puede mantenerse constante el nivel de líquido en un depósito, sin más que sustituir el indicador por una válvula accionada eléctricamente que llene o vacíe el depósito. En la siguiente figura, el sistema actúa para abrir la válvula, permitiendo que fluya más líquido en el depósito cuando baja el nivel, y cierra la válvula deteniendo la entrada de líquido cuando el nivel aumenta hasta un punto determinado.

Figura 20. Control de nivel de líquido. Control de entrada.

El sistema puede disponerse también para que abra la válvula permitiendo la salida de líquido en el depósito y la cierre cuando el nivel ha bajado hasta determinado punto.

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Figura 21. Control de nivel de líquido. Control de salida.

8.10 Circuitos de retardo de tiempo La característica corriente en función del tiempo, puede aprovecharse para ser utilizada en circuitos temporizadores extremadamente sencillos. Veamos dos circuitos de retardo básicos, el de activación retardada y el de desactivación retardada. Activación retardada La siguiente figura muestra un sencillo circuito de retardo con un termistor. Consta de una batería, un interruptor, un termistor NTC, un reostato y un relé, conectados en serie. Inicialmente se cierra el interruptor, circulando por el circuito una corriente que es insuficiente para cerrar el relé. Sin embargo, debido a la característica corriente-tiempo del termistor NTC, la intensidad va aumentando con el tirmpo hasta tomar un valor estable que provoca la activación del relé. Puede obtenerse un retardo variable desde unos pocos milisegundos hasta algunos minutos según sea el tipo del termistor. El intervalo de tiempo puede ajustarse mediante el reostato, deforma que ha mayor resistencia de éste corresponderá un mayor retardo.

Figura 22. Circuito de retardo de tiempo. 27


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Desactivación retardada Si el relé del anterior circuito, se mantiene normalmente cerrado, se puede obtener un comportamiento inverso. El circuito controlado está en funcionamiento cuando el interruptor está cerrado y continúa en funcionamiento durante un cierto tiempo predeterminado cuando es desconectado por el relé.

9. Conclusiones Como hemos visto, existe una gran variedad que aplicaciones de medición y control que emplean el termistor. Esto es debido a las ventajas que ofrece este dispositivo frente a otros elementos como los termopares o los RTDs. Las más significativas son su rapidez y su alta sensibilidad, todas ellas relacionadas con una característica fundamental del termistor, su pequeño tamaño. Esta particularidad tiene no obstante alguna contrapartida, el autocalentamiento que se produce al hacer circular corriente por el termistor puede afectar a las mediciones tomadas. Además se trata de un elemento bastante frágil y hay que tener cuidado en su manipulación. Pero su desventaja fundamental es que opera dentro de un rango de temperaturas reducido, unos pocos centenares de grados Celsius incluso en unidades encapsuladas. Sin embargo este rango es suficiente para tratar con temperaturas próximas a la temperatura ambiente y para aplicaciones que no requieran detectar temperaturas extremas, el termistor es un elemento muy conveniente.

10. Bibliografía 1) Turner, Rufus P. “ABC de los termistores” Ed. Marcombo S.A. ’82 www.epcos.com www.ametherm.com www.usensor.com www.sensorsci.com www.thermistor.com

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