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Termistor

Un termistor es un tipo de resistencia semiconductora cuya resistencia depende en gran medida de la temperatura, más que en las resistencias estándar. La palabra termistor es una combinación de las palabras "thermal" y "resistor" .

Los termistores se clasifican según sus modelos de conducción. Los termistores de coeficiente de temperatura negativo (NTC) tienen menos resistencia a temperaturas más altas , mientras que los termistores de coeficiente de temperatura positivo (PTC) tienen más resistencia a temperaturas más altas . [1]

Los termistores NTC se utilizan ampliamente como limitadores de corriente de entrada y sensores de temperatura, mientras que los termistores PTC se utilizan como protectores de sobrecorriente con restablecimiento automático y elementos de calefacción autorreguladores . El rango de temperatura operativa de un termistor depende del tipo de sonda y, por lo general, se encuentra entre −100 y 300 °C (−148 y 572 °F).

Tipos

Dependiendo de los materiales utilizados, los termistores se clasifican en dos tipos:

Los termistores se producen generalmente utilizando óxidos metálicos en polvo. [3] Con fórmulas y técnicas enormemente mejoradas en los últimos 20 años [ ¿cuándo? ] , los termistores NTC ahora pueden lograr precisiones en amplios rangos de temperatura como ±0,1 °C o ±0,2 °C de 0 °C a 70 °C con excelente estabilidad a largo plazo. Los elementos de termistor NTC vienen en muchos estilos [4] como encapsulados de vidrio con conductores axiales (diodos DO-35, DO-34 y DO-41), chips recubiertos de vidrio, recubiertos de epoxi con cable conductor desnudo o aislado y montaje en superficie, así como versiones de película delgada. El rango de temperatura de funcionamiento típico de un termistor es de −55 °C a +150 °C, aunque algunos termistores con cuerpo de vidrio tienen una temperatura de funcionamiento máxima de +300 °C.

Los termistores se diferencian de los detectores de temperatura de resistencia (RTD) en que el material utilizado en un termistor es generalmente una cerámica o polímero, mientras que los RTD utilizan metales puros. La respuesta de temperatura también es diferente; los RTD son útiles en rangos de temperatura más amplios, mientras que los termistores suelen lograr una mayor precisión dentro de un rango de temperatura limitado, por lo general de −90 °C a 130 °C. [5]

Operación básica

Suponiendo, como aproximación de primer orden, que la relación entre la resistencia y la temperatura es lineal , entonces

dónde

, cambio en la resistencia,
, cambio de temperatura,
, coeficiente de temperatura de resistencia de primer orden .

Dependiendo del tipo de termistor en cuestión, puede ser positivo o negativo.

Si es positivo , la resistencia aumenta con el aumento de la temperatura y el dispositivo se denomina termistor de coeficiente de temperatura positivo ( PTC ) o posistor . Hay dos tipos de resistencias PTC: termistor de conmutación y silistor . Si es negativo, la resistencia disminuye con el aumento de la temperatura y el dispositivo se denomina termistor de coeficiente de temperatura negativo ( NTC ) . Las resistencias que no son termistores están diseñadas para tener un valor lo más cercano posible a 0 para que su resistencia permanezca casi constante en un amplio rango de temperaturas.

En lugar del coeficiente de temperatura k , a veces se utiliza el coeficiente de temperatura de resistencia ("alfa sub T"). Se define como [6]

Este coeficiente no debe confundirse con el parámetro siguiente.

Construcción y materiales

Los termistores se construyen generalmente utilizando óxidos metálicos. [7] Por lo general, se prensan en forma de perla, disco o cilindro y luego se encapsulan con un material impermeable como epoxi o vidrio. [8]

Los termistores NTC se fabrican a partir de óxidos del grupo de metales del hierro : por ejemplo, cromo (CrO, Cr2O3 ) , manganeso (por ejemplo, MnO), cobalto (CoO), hierro (óxidos de hierro) y níquel (NiO, Ni2O3 ) . [ 9 ] [ 10 ] Estos óxidos forman un cuerpo cerámico con terminales compuestos de metales conductores como plata, níquel y estaño.

Los PTC generalmente se preparan a partir de titanatos de bario (Ba), estroncio o plomo (por ejemplo, PbTiO 3 ). [9] [10]

Ecuación de Steinhart-Hart

En los dispositivos prácticos, el modelo de aproximación lineal (arriba) es preciso solo en un rango de temperatura limitado. En rangos de temperatura más amplios, una función de transferencia de temperatura-resistencia más compleja proporciona una caracterización más fiel del rendimiento. La ecuación de Steinhart-Hart es una aproximación de tercer orden ampliamente utilizada:

donde a , b y c se denominan parámetros Steinhart-Hart y deben especificarse para cada dispositivo. T es la temperatura absoluta y R es la resistencia. La ecuación no es dimensionalmente correcta, ya que un cambio en las unidades de R da como resultado una ecuación con una forma diferente, que contiene un término. En la práctica, la ecuación da buenos resultados numéricos para resistencias expresadas en ohmios o kΩ, pero los coeficientes a, b y c deben indicarse con referencia a la unidad. [11] Para dar la resistencia como función de la temperatura, se puede resolver la ecuación cúbica anterior en , cuya raíz real está dada por

dónde

El error en la ecuación de Steinhart-Hart es generalmente menor a 0,02 °C en la medición de temperatura en un rango de 200 °C. [12] A modo de ejemplo, los valores típicos para un termistor con una resistencia de 3 kΩ a temperatura ambiente (25 °C = 298,15 K, R en Ω) son:

Boβecuación de parámetros

Los termistores NTC también se pueden caracterizar con la ecuación del parámetro B (o β ), que es esencialmente la ecuación de Steinhart-Hart con , y ,

donde las temperaturas y el parámetro B están en kelvins , y R 0 es la resistencia del termistor a la temperatura T 0 (25 °C = 298,15 K). [13] Resolviendo para R se obtiene

o, alternativamente,

dónde .

Esto se puede resolver para la temperatura:

La ecuación del parámetro B también se puede escribir como . Esto se puede utilizar para convertir la función de resistencia en función de la temperatura de un termistor en una función lineal en función de . La pendiente promedio de esta función dará como resultado una estimación del valor del parámetro B.

Modelo de conducción

NTC (coeficiente de temperatura negativo)

Un termistor NTC averiado (quemado) que funcionaba como limitador de corriente de entrada en una fuente de alimentación de modo conmutado

Muchos termistores NTC están hechos de un disco prensado, varilla, placa, perla o chip fundido de material semiconductor como óxidos metálicos sinterizados . Funcionan porque al aumentar la temperatura de un semiconductor aumenta el número de portadores de carga activos al promoverlos hacia la banda de conducción . Cuantos más portadores de carga estén disponibles, más corriente puede conducir un material. En ciertos materiales como el óxido férrico (Fe 2 O 3 ) con dopaje de titanio (Ti) se forma un semiconductor de tipo n y los portadores de carga son electrones . En materiales como el óxido de níquel (NiO) con dopaje de litio (Li) se crea un semiconductor de tipo p , donde los huecos son los portadores de carga. [14]

Esto se describe en la fórmula

dónde

= corriente eléctrica (amperios),
= densidad de portadores de carga (número/m3 ) ,
= área de la sección transversal del material (m 2 ),
= velocidad de deriva de los electrones (m/s),
= carga de un electrón ( culombio).

En caso de grandes cambios de temperatura, es necesaria la calibración. En caso de pequeños cambios de temperatura, si se utiliza el semiconductor adecuado, la resistencia del material es linealmente proporcional a la temperatura. Existen muchos termistores semiconductores diferentes con un rango de aproximadamente 0,01  kelvin a 2000 kelvin (−273,14 °C a 1700 °C). [15]

El símbolo estándar IEC para un termistor NTC incluye un "−t°" debajo del rectángulo. [16]

PTC (coeficiente de temperatura positivo)

La mayoría de los termistores PTC están hechos de cerámica policristalina dopada (que contiene titanato de bario (BaTiO 3 ) y otros compuestos) que tienen la propiedad de que su resistencia aumenta repentinamente a una cierta temperatura crítica. El titanato de bario es ferroeléctrico y su constante dieléctrica varía con la temperatura. Por debajo de la temperatura del punto de Curie , la constante dieléctrica alta evita la formación de barreras de potencial entre los granos de cristal, lo que conduce a una baja resistencia. En esta región, el dispositivo tiene un pequeño coeficiente de temperatura negativo. En la temperatura del punto de Curie, la constante dieléctrica cae lo suficiente como para permitir la formación de barreras de potencial en los límites de los granos, y la resistencia aumenta bruscamente con la temperatura. A temperaturas aún más altas, el material vuelve al comportamiento NTC.

Otro tipo de termistor es el silistor (una resistencia de silicio sensible al calor). Los silistores utilizan silicio como material semiconductor. A diferencia de los termistores PTC cerámicos, los silistores tienen una característica de resistencia-temperatura casi lineal. [17] Los termistores PTC de silicio tienen una deriva mucho menor que un termistor NTC. Son dispositivos estables que están sellados herméticamente en un paquete encapsulado de vidrio con plomo axial. [18]

Los termistores de titanato de bario se pueden utilizar como calentadores autocontrolados; para un voltaje determinado, la cerámica se calentará a una temperatura determinada, pero la potencia utilizada dependerá de la pérdida de calor de la cerámica.

La dinámica de los termistores PTC cuando se alimentan con energía permite una amplia gama de aplicaciones. Cuando se conectan por primera vez a una fuente de voltaje, fluye una gran corriente correspondiente a la resistencia baja y fría, pero a medida que el termistor se calienta por sí solo, la corriente se reduce hasta que se alcanza una corriente límite (y la temperatura pico correspondiente del dispositivo). El efecto limitador de corriente puede reemplazar a los fusibles. En los circuitos de desmagnetización de muchos monitores y televisores CRT, se conecta un termistor elegido adecuadamente en serie con la bobina de desmagnetización. Esto da como resultado una disminución suave de la corriente para un efecto de desmagnetización mejorado. Algunos de estos circuitos de desmagnetización tienen elementos de calentamiento auxiliares para calentar aún más el termistor (y reducir la corriente resultante).

Otro tipo de termistor PTC es el polímero PTC, que se vende bajo marcas como " Polyswitch ", "Semifuse" y "Multifuse". Este consiste en plástico con granos de carbono incrustados en él. Cuando el plástico se enfría, los granos de carbono están todos en contacto entre sí, formando una ruta conductora a través del dispositivo. Cuando el plástico se calienta, se expande, forzando a los granos de carbono a separarse y haciendo que la resistencia del dispositivo aumente, lo que luego causa un mayor calentamiento y un rápido aumento de la resistencia. Al igual que el termistor BaTiO 3 , este dispositivo tiene una respuesta de resistencia/temperatura altamente no lineal útil para el control térmico o de circuitos, no para la medición de temperatura. Además de los elementos de circuito utilizados para limitar la corriente, los calentadores autolimitantes se pueden hacer en forma de cables o tiras, útiles para el trazado de calor . Los termistores PTC "se enganchan" en un estado caliente/de alta resistencia: una vez calientes, permanecen en ese estado de alta resistencia, hasta que se enfrían. El efecto se puede utilizar como un circuito de memoria/pestillo primitivo , y se mejora utilizando dos termistores PTC en serie, con un termistor frío y el otro caliente. [19]

El símbolo estándar IEC para un termistor PTC incluye un "+t°" debajo del rectángulo. [20]

Efectos del autocalentamiento

Cuando una corriente fluye a través de un termistor, genera calor, lo que eleva la temperatura del termistor por encima de la de su entorno. Si el termistor se utiliza para medir la temperatura del entorno, este calentamiento eléctrico puede introducir un error significativo (un efecto del observador ) si no se realiza una corrección. Alternativamente, este efecto en sí mismo puede ser explotado. Puede, por ejemplo, hacer que un dispositivo sensible al flujo de aire se emplee en un instrumento de velocidad de ascenso de planeadores , el variómetro electrónico , o servir como temporizador para un relé como se hacía antiguamente en las centrales telefónicas .

La entrada de energía eléctrica al termistor es simplemente

donde I es la corriente y V es la caída de tensión en el termistor. Esta energía se convierte en calor y esta energía térmica se transfiere al entorno circundante. La tasa de transferencia está bien descrita por la ley de enfriamiento de Newton :

donde T ( R ) es la temperatura del termistor en función de su resistencia R , es la temperatura del entorno y K es la constante de disipación , expresada habitualmente en unidades de milivatios por grado Celsius. En el equilibrio, las dos velocidades deben ser iguales:

La corriente y el voltaje a través del termistor dependen de la configuración particular del circuito. Como ejemplo simple, si el voltaje a través del termistor se mantiene fijo, entonces por la ley de Ohm tenemos , y la ecuación de equilibrio se puede resolver para la temperatura ambiente como una función de la resistencia medida del termistor:

La constante de disipación es una medida de la conexión térmica del termistor con su entorno. Generalmente se da para el termistor en aire en calma y en aceite bien agitado. Los valores típicos para un termistor de perlas de vidrio pequeño son 1,5 mW/°C en aire en calma y 6,0 mW/°C en aceite agitado. Si se conoce de antemano la temperatura del entorno, se puede utilizar un termistor para medir el valor de la constante de disipación. Por ejemplo, el termistor se puede utilizar como un sensor de caudal, ya que la constante de disipación aumenta con el caudal de un fluido que pasa por el termistor.

La potencia disipada en un termistor se mantiene normalmente a un nivel muy bajo para garantizar que el error de medición de temperatura sea insignificante debido al autocalentamiento. Sin embargo, algunas aplicaciones de los termistores dependen de un "autocalentamiento" significativo para elevar la temperatura del cuerpo del termistor muy por encima de la temperatura ambiente, de modo que el sensor detecte incluso cambios sutiles en la conductividad térmica del entorno. Algunas de estas aplicaciones incluyen la detección del nivel de líquido, la medición del caudal de líquido y la medición del caudal de aire. [6]

Aplicaciones

PTC

CNT

Historia

El primer termistor NTC fue descubierto en 1833 por Michael Faraday , quien informó sobre el comportamiento semiconductor del sulfuro de plata . Faraday notó que la resistencia del sulfuro de plata disminuía drásticamente a medida que aumentaba la temperatura. (Esta fue también la primera observación documentada de un material semiconductor). [29]

Debido a que los primeros termistores eran difíciles de producir y las aplicaciones de la tecnología eran limitadas, la producción comercial de termistores no comenzó hasta la década de 1930. [30] Samuel Ruben inventó un termistor comercialmente viable en 1930. [31]

Véase también

Referencias

  1. ^ "Termistor PTC vs. termistor NTC para medir la temperatura de un líquido". Electrical Engineering Stack Exchange . Consultado el 24 de abril de 2022 .
  2. ^ "Estándares para símbolos de resistencias". EePower . EETech Media . Consultado el 13 de septiembre de 2021 .
  3. ^ "¿Qué es un termistor? ¿Cómo funcionan los termistores?". EI Sensor Technologies . Consultado el 13 de mayo de 2019 .
  4. ^ "Termistores". EI Sensor Technologies . Consultado el 13 de mayo de 2019 .
  5. ^ "Termistores NTC" Archivado el 22 de septiembre de 2017 en Wayback Machine . Micro-chip Technologies. 2010.
  6. ^ ab Terminología del termistor. Recursos técnicos de Littlefuse.
  7. ^ Guía de diseño de ventilación industrial. Howard D. Goodfellow, Esko Tähti. San Diego, California: Academic. 2001. ISBN 978-0-12-289676-7.OCLC 162128694  .{{cite book}}: Mantenimiento de CS1: otros ( enlace )
  8. ^ "Conceptos básicos del termistor". Wavelength Electronics . Wavelength Electronics, Inc. . Consultado el 8 de julio de 2024 .
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  10. ^ ab Pruebas y análisis de fatiga: teoría y práctica. Yung-Li Lee. Burlington, Mass.: Elsevier Butterworth-Heinemann. 2005. ISBN 978-0-08-047769-5.OCLC 56731934  .{{cite book}}: Mantenimiento de CS1: otros ( enlace )
  11. ^ Matus, Michael (2011). "Medición de temperatura en metrología dimensional: por qué la ecuación de Steinhart-Hart funciona tan bien". MacroScale .
  12. ^ "Medidas prácticas de temperatura". Nota de aplicación de Agilent. Agilent Semiconductor.
  13. ^ Becker, JA (1947). "Propiedades y usos de los termistores: resistencias térmicamente sensibles". Bell System Technical Journal . 26 : 170–212. doi :10.1002/j.1538-7305.1947.tb01314.x . Consultado el 22 de abril de 2022 .
  14. ^ L. W Turner, ed. (1976). Libro de referencia del ingeniero electrónico (4.ª ed.). Butterworths. págs. 6-29 a 6-41. ISBN 0408001682.
  15. ^ "Thermal-FluidsPedia | Mediciones de temperatura e instrumentación | Thermal-Fluids Central".
  16. ^ "Termistor NTC » Guía de resistencias".
  17. ^ "Termistores PTC y silistores" La guía de resistencias
  18. ^ "¿Qué es un termistor? ¿Cómo funcionan los termistores?".
  19. ^ Downie, Neil A., El libro definitivo de la ciencia del sábado (Princeton 2012) ISBN 0-691-14966-6 
  20. ^ "Termistor PTC: coeficiente de temperatura positivo". Guía de resistencias .
  21. ^ Patchell, Jim. "VCO con compensación de temperatura". www.oldcrows.net .
  22. ^ Patente CN 1273423A (China)
  23. ^ "Termistores PTC ED35S".
  24. ^ Termistores de potencia limitadores de corriente de entrada. Sensor de EE. UU.
  25. ^ "Guía de termistores PTC: "Publicado por Analog Electronic Technologies"".
  26. ^ Mukherjee, Rahul; Basu, Joydeep; Mandal, Pradip; Guha, Prasanta Kumar (2017). "Una revisión de acelerómetros térmicos micromaquinados". Revista de micromecánica y microingeniería . 27 (12): 123002. arXiv : 1801.07297 . Código Bibliográfico :2017JMiMi..27l3002M. doi :10.1088/1361-6439/aa964d. S2CID  116232359.
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  28. ^ "Termistores NTC encapsulados en vidrio reconocidos por UL ED35U".
  29. ^ "1833 - Se registra el primer efecto semiconductor". Museo de Historia de la Computación . Consultado el 24 de junio de 2014 .
  30. ^ McGee, Thomas (1988). "Capítulo 9". Principios y métodos de medición de temperatura . John Wiley & Sons. pág. 203. ISBN 9780471627678.
  31. ^ Jones, Deric P., ed. (2009). Sensores biomédicos. Momentum Press. pág. 12. ISBN 9781606500569.

Enlaces externos