TERMISTORESTERMISTORES

Características y aplicaciones

DEFINICIóN

• El termistor es un tipo de transductor pasivo, sensible a la temperatura y que experimenta un gran cambio en la resistencia eléctrica cuando está sujeto a pequeños cambios de temperatura.

• El término termistor proviene del inglés THERMally sensitive resISTOR, es decir, resistencia sensible térmicamente.

• Aunque el termistor no sea tan conocido como otros dispositivos semiconductores, tiene múltiples aplicaciones en campos tan diversos como instrumentación,astronaútica,automóviles,medicina...

HISTORIAEl 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 termistores como consecuencia de sus investigaciones con el sulfuro de plata (Ag2S) en 1833. Debido a las limitaciones tecnológicas la fabricación y el uso comercial de los termistores no empezó hasta cien años después. Durante los primeros años de la década de los 40, los laboratorios Bell desarrollaron métodos para conseguir 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.

CONCEPTOS PREVIOS

• 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.

• Rt2 = Rt1 [ 1 + ( t 2 - t1 ) ]

– Donde: t 2 : Valor superior de la temperatura en ºC t 1 : Valor inferior de la temperatura en ºC

: Coeficiente de temperatura del material

TIPOS DE TERMISTORES

• PTC : Coeficiente de temperatura positivo. Sufren un cambio de resistencia brusco al alcanzar cierta temperatura (unos 100ºC) pasando de valores de centenares de ohm. a decenas de Megaohm.

• NTC: Coeficiente de temperatura negativo. Altamente sensibles a cambios de temperatura (valores de alfa entre -2%/K y -6%/K). Dentro de este grupo se encuentra la mayoría de termistores.

TIPOS DE TERMISTORES

CARACTERÍSTICAS BÁSICAS

• Rango de temperaturas y valores de resistenciaSe emplean fundamentalmente entre los -50ºC y los 150ºC no obstante las unidades encapsuladas pueden alcanzar los 300ºC. En la mayoría de aplicaciones el valor de resistencia a 25ºC está entre 100ohm. Y 100kohm. Aunque se pueden producir con resistencias tan bajas como 10ohm. o tan altas como 40Mohm.

• Tamaño reducidoLas reducidas dimensiones de los termistores hacen que la respuesta a los cambios de temperatura sean muy rápidas.

• Sensibilidad a los cambios de temperaturaLos termistores tienen mayor sensibilidad a los cambios de temperatura que otros transductores.

CARACTERÍSTICAS BÁSICAS

• Autocalentamiento La temperatura de un termistor puede variar bien por cambios de la temperatura ambiente en que se encuentra el dispositivo, o por el autocalentamiento que se produce cuando se hace pasar una corriente eléctrica a través de él. El autocaldeo puede ser indeseable en algunas aplicaciones, otras en cambio, basan su funcionamiento en este efecto.

• Intercambiabilidad Tolerancia con la que es producido un termistor. Gracias a esta cualidad es posible reemplazar en un sistema un termistor por otro sin necesidad de volver a calibrar el aparato de medida.

• Sensibilidad a la temperatura de forma remota La medición de temperatura se puede efectuar desde

un punto distante

ESPECIFICACIONES ELÉCTRICAS

Resistencia / Temperatura

• La relación R/T del termistor no es en absoluto lineal y existen varias aproximaciones que dependen del parámetros del proceso:

RSteinhart-Hart : 1/T = a +b +(lnR) + c(lnR) 3

T = RN e B. (1/T – 1/TN)

ESPECIFICACIONES ELÉCTRICAS

Resistencia / Temperatura

Resistencia vs. Temperatura

0

500000

1000000

1500000

2000000

2500000

3000000

3500000

4000000

-80 -63 -46 -29 -12 5 22 39 56 73 90 107 124 141

Temperatura (ºC)

Res

iste

nci

a (O

hm

.)

44004/44003

44006/44031

Resistencia vs. Temperatura

1

10

100

1000

10000

100000

1000000

10000000

-80 -59 -38 -17 4 25 46 67 88 109 130

Temperatura (ºC)

Res

iste

nci

a (O

hm

.)

44004/44003

44006/44031

ESPECIFICACIONES ELÉCTRICAS Tensión / Corriente

• Describe la variación de la corriente del termistor en función de la tensión aplicada. Podemos diferenciar tres secciones:

1) Zona óhmica. dV/dI = R2) Incremento no lineal. 3) Zona de pendiente

negativa.

CONFIGURACIONES

• Los termistores se presentan en múltiples configuraciones, las más empleadas son los de perla, disco y chip.

• Los termistores tipo perla debido a su pequeño tamaño permiten una respuesta rápida ante los cambios de temperatura.

• Los termistores de disco y chip tienen una respuesta de disipación mayor.

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 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 recubiertas o encapsuladas 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.

TIPO 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.

Una cubierta de material epóxido 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.

TIPO CHIPEn 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 epóxido 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.

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.

TIPO BARRAEste tipo de termistores, tienen toda la 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.

Aplicaciones1. Medición de temperatura.

2. Control de la temperatura.

3. Controlar el nivel de un líquido.

4. Analizador de gas.

APLICACIONES Medición de temperatura

• Por su pequeño tamaño, alta sensibilidad, rapidez y robustez, los termistores son muy utilizados en la medición de temperatura.

• Sin embargo trabajan en un rango de temperatura limitado ( -40ºC a 300ºC) y hay que controlar que la corriente que circula por el termistor no sea suficiente para producir un excesivo autocalentamiento.

Puente de Wheatstone

APLICACIONES Anemómetro

Circuito que permite medir la velocidad del viento

APLICACIONES Medidor de caudal

Circuito que permite medir el flujo de gas o líquido

APLICACIONES Manómetro de vacío

Circuito que permite medir el grado de vacío en un recinto

APLICACIONES Circuito de retardo de tiempo

APLICACIONES Control/alarma de llama piloto