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termistor

Un termistor es un tipo de resistencia semiconductor cuya resistencia depende en gran medida de la temperatura, más que en las resistencias estándar. La palabra termistor es una combinación de térmica y resistencia .

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 reinicio automático y elementos calefactores autorreguladores . El rango de temperatura operativa de un termistor depende del tipo de sonda y normalmente está entre −100 °C y 300 °C (−148 °F y 572 °F).

Tipos

Según los materiales utilizados, los termistores se clasifican en dos tipos:

Los termistores generalmente se fabrican 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 una excelente estabilidad a largo plazo. Los elementos de termistor NTC vienen en muchos estilos [4] , como encapsulados en vidrio con plomo axial (diodos DO-35, DO-34 y DO-41), chips recubiertos de vidrio, recubiertos de epoxi con alambre conductor desnudo o aislado y superficies montura, 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 cerámica o polímero, mientras que los RTD utilizan metales puros. La respuesta de la 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, normalmente de -90 °C a 130 °C. [5]

Operación básica

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

dónde

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

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

Si es positivo , la resistencia aumenta al aumentar 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 al aumentar 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, de modo 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 normalmente se construyen con óxidos metálicos. [7]

Los termistores NTC se fabrican a partir de óxidos del grupo de metales del hierro: por ejemplo, cromo ( CrO , Cr 2 O 3 ), manganeso (por ejemplo, MnO ), cobalto ( CoO ), hierro ( óxidos de hierro ) y níquel ( NiO , Ni 2 O 3) . ). [8] [9] estos óxidos forman un cuerpo cerámico con terminales compuestos de metales conductores como plata, níquel y estaño.

Los PTC suelen prepararse a partir de titanatos de bario (Ba), estroncio o plomo (p. ej., PbTiO 3 ). [8] [9]

Ecuación de Steinhart-Hart

En dispositivos prácticos, el modelo de aproximación lineal (arriba) es preciso sólo 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 expresarse con referencia a la unidad. [10] Para dar la resistencia en función de la temperatura, se puede resolver la ecuación cúbica anterior, cuya raíz real está dada por

dónde

El error en la ecuación de Steinhart-Hart es generalmente inferior a 0,02 °C en la medición de temperatura en un rango de 200 °C. [11] Como 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:

Ecuación del parámetro B o β

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). [12] 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 frente a temperatura de un termistor en una función lineal de vs. La pendiente promedio de esta función producirá una estimación del valor del parámetro B.

Modelo de conducción

NTC (coeficiente de temperatura negativo)

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

Muchos termistores NTC están hechos de un disco, varilla, placa, cordón o chip fundido prensado de material semiconductor como óxidos metálicos sinterizados . Funcionan porque elevar la temperatura de un semiconductor aumenta el número de portadores de carga activos al promoverlos en la banda de conducción . Cuantos más portadores de carga haya disponibles, más corriente podrá conducir un material. En ciertos materiales como el óxido férrico (Fe 2 O 3 ) con dopaje de titanio (Ti) se forma un semiconductor tipo n y los portadores de carga son los electrones . En materiales como el óxido de níquel (NiO) con dopado con litio (Li) se crea un semiconductor tipo p , donde los huecos son los portadores de carga. [13]

Esto se describe en la fórmula.

dónde

= corriente eléctrica (amperios),
= densidad de portadores de carga (recuento/m 3 ),
= área de la sección transversal del material (m 2 ),
= velocidad de deriva de los electrones (m/s),
= carga de un electrón ( coulomb).

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

El símbolo estándar IEC para un termistor NTC incluye un "-t°" debajo del rectángulo. [15]

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 determinada temperatura crítica. El titanato de bario es ferroeléctrico y su constante dieléctrica varía con la temperatura. Por debajo de la temperatura del punto Curie , la alta constante dieléctrica evita la formación de barreras potenciales entre los granos de cristal, lo que conduce a una baja resistencia. En esta región el dispositivo tiene un pequeño coeficiente de temperatura negativo. A la temperatura del punto Curie, la constante dieléctrica cae lo suficiente como para permitir la formación de barreras potenciales 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 un silistor (una resistencia de silicio térmicamente sensible). Los silistores emplean silicio como material componente semiconductor. A diferencia de los termistores PTC cerámicos, los silistores tienen una característica de resistencia-temperatura casi lineal. [16] 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 emplomado axial. [17]

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 que se alimentan se presta a una amplia gama de aplicaciones. Cuando se conecta 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 autocalienta, la corriente se reduce hasta que se alcanza una corriente límite (y la temperatura máxima correspondiente del dispositivo). El efecto limitador de corriente puede reemplazar los fusibles. En los circuitos de desmagnetización de muchos monitores CRT y televisores, se conecta un termistor elegido apropiadamente en serie con la bobina desmagnetizadora. Esto da como resultado una disminución suave de la corriente para un mejor efecto de desmagnetización. Algunos de estos circuitos de desmagnetización tienen elementos calefactores auxiliares para calentar aún más el termistor (y reducir la corriente resultante).

Otro tipo de termistor PTC es el PTC de polímero , que se vende con marcas como " Polyswitch ", "Semifuse" y "Multifuse". Consiste en plástico con granos de carbono incrustados. Cuando el plástico se enfría, todos los granos de carbono están en contacto entre sí, formando un camino conductor a través del dispositivo. Cuando el plástico se calienta, se expande, separando los granos de carbono y provocando que aumente la resistencia del dispositivo, lo que provoca 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 control térmico o de circuito, no para medición de temperatura. Además de los elementos del circuito utilizados para limitar la corriente, los calentadores autolimitantes se pueden fabricar en forma de cables o tiras, útiles para el rastreo 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 primitivo de pestillo/memoria , y el efecto se mejora mediante el uso de dos termistores PTC en serie, con un termistor frío y el otro termistor caliente. [18]

El símbolo estándar IEC para un termistor PTC incluye un "+t°" debajo del rectángulo. [19]

Efectos de 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 ambiente, este calentamiento eléctrico puede introducir un error significativo (un efecto de observador ) si no se realiza una corrección. Alternativamente, se puede explotar este efecto en sí. Puede, por ejemplo, fabricar un dispositivo sensible al flujo de aire empleado en un instrumento de velocidad de ascenso de un planeador , 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 solo

donde I es la corriente y V es la caída de voltaje a través del 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 , generalmente expresada en unidades de milivatios por grado Celsius. En equilibrio, las dos tasas deben ser iguales:

La corriente y el voltaje a través del termistor dependen de la configuración del circuito particular. Como ejemplo simple, si el voltaje a través del termistor se mantiene fijo, entonces, según la ley de Ohm , tenemos y la ecuación de equilibrio se puede resolver para la temperatura ambiente en 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 aplica al termistor en aire en calma y en aceite bien agitado. Los valores típicos para un termistor de perlas de vidrio pequeñas 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 ambiente, se puede utilizar un termistor para medir el valor de la constante de disipación. Por ejemplo, el termistor se puede utilizar como 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 normalmente se mantiene a un nivel muy bajo para garantizar un error insignificante en la medición de la temperatura debido al autocalentamiento. Sin embargo, algunas aplicaciones de termistores dependen de un "autocalentamiento" significativo para elevar la temperatura corporal del termistor muy por encima de la temperatura ambiente, de modo que el sensor detecta incluso cambios sutiles en la conductividad térmica del ambiente. Algunas de estas aplicaciones incluyen detección de nivel de líquido, medición de flujo de líquido y medición de flujo 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 dramáticamente a medida que aumentaba la temperatura. (Esta fue también la primera observación documentada de un material semiconductor). [28]

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. [29] Samuel Ruben inventó un termistor comercialmente viable en 1930. [30]

Ver también

Referencias

  1. ^ "Termistor PTC versus termistor NTC para medir la temperatura de un líquido". Intercambio de pilas de ingeniería eléctrica . Consultado el 24 de abril de 2022 .
  2. ^ "Estándares para símbolos de resistencias". EePower . Medios EETech . Consultado el 13 de septiembre de 2021 .
  3. ^ "¿Qué es un termistor? ¿Cómo funcionan los termistores?". Tecnologías de sensores EI . Consultado el 13 de mayo de 2019 .
  4. ^ "Termistores". Tecnologías de sensores EI . Consultado el 13 de mayo de 2019 .
  5. «Termistores NTC» Archivado el 22 de septiembre de 2017 en Wayback Machine . Tecnologías de microchips. 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: Académico. 2001.ISBN _ 978-0-12-289676-7. OCLC  162128694.{{cite book}}: CS1 maint: others (link)
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  9. ^ ab Pruebas y análisis de fatiga: teoría y práctica. Yung-Li Lee. Burlington, Massachusetts: Elsevier Butterworth-Heinemann. 2005.ISBN _ 978-0-08-047769-5. OCLC  56731934.{{cite book}}: CS1 maint: others (link)
  10. ^ Matus, Michael (2011). "Medición de temperatura en metrología dimensional: por qué la ecuación de Steinhart-Hart funciona tan bien". Macroescala .
  11. ^ "Medidas prácticas de temperatura". Nota de aplicación de Agilent. Semiconductores Agilent.
  12. ^ Becker, JA (1947). "Propiedades y usos de termistores-resistencias térmicamente sensibles". Revista técnica del sistema Bell . 26 : 170–212. doi : 10.1002/j.1538-7305.1947.tb01314.x . Consultado el 22 de abril de 2022 .
  13. ^ LW Turner, ed. (1976). Libro de referencia del ingeniero electrónico (4 ed.). Butterworths. págs. 6-29 a 6-41. ISBN 0408001682.
  14. ^ "Thermal-FluidsPedia | Mediciones e instrumentación de temperatura | Thermal-Fluids Central".
  15. ^ "Termistor NTC» Guía de resistencias ".
  16. ^ "Termistores y silistores PTC" La guía de resistencias
  17. ^ "¿Qué es un termistor? ¿Cómo funcionan los termistores?".
  18. ^ Downie, Neil A., El libro definitivo de la ciencia de los sábados (Princeton 2012) ISBN 0-691-14966-6 
  19. ^ "Termistor PTC - Coeficiente de temperatura positivo". Guía de resistencias .
  20. ^ Patchell, Jim. "VCO con compensación de temperatura". www.oldcrows.net .
  21. ^ Patente CN 1273423A (China)
  22. ^ "Termistores PTC ED35S".
  23. ^ Termistores de potencia limitadores de corriente de irrupción. Sensor de EE. UU.
  24. ^ "Guía de termistores PTC-" Publicar mediante tecnologías electrónicas analógicas"".
  25. ^ Mukherjee, Rahul; Basu, Joydeep; Mandal, Pradip; Guha, Prasanta Kumar (2017). "Una revisión de acelerómetros térmicos micromecanizados". Revista de Micromecánica y Microingeniería . 27 (12): 123002. arXiv : 1801.07297 . Código Bib : 2017JMiMi..27l3002M. doi :10.1088/1361-6439/aa964d. S2CID  116232359.
  26. ^ "Sondas de termistor". Tecnologías de sensores EI . Consultado el 13 de mayo de 2019 .
  27. ^ "Termistores NTC encapsulados de vidrio reconocidos por UL ED35U".
  28. ^ "1833 - Se registra el primer efecto semiconductor". Museo de Historia de la Computación . Consultado el 24 de junio de 2014 .
  29. ^ McGee, Thomas (1988). "Capítulo 9". Principios y métodos de medición de temperatura . John Wiley e hijos. pag. 203.ISBN _ 9780471627678.
  30. ^ Jones, Deric P., ed. (2009). Sensores biomédicos. Prensa de impulso. pag. 12.ISBN _ 9781606500569.

enlaces externos