Termistor

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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).

Termistor

Termistor de coeficiente de temperatura negativo (NTC), tipo perla, cables aislados
Tipo	Pasivo
Principio de funcionamiento	Resistencia eléctrica
Símbolo electrónico
Símbolo de termistor o varistor [2]

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

• En el caso de los termistores NTC , la resistencia disminuye a medida que aumenta la temperatura, generalmente porque los electrones son empujados por la agitación térmica desde la banda de valencia a la banda de conducción. Un NTC se utiliza comúnmente como sensor de temperatura o en serie con un circuito como limitador de corriente de entrada .
• En el caso de los termistores PTC , la resistencia aumenta a medida que aumenta la temperatura, generalmente debido a un aumento de las agitaciones de la red térmica, en particular las de impurezas e imperfecciones. Los termistores PTC se instalan comúnmente en serie con un circuito y se utilizan para proteger contra condiciones de sobrecorriente, como fusibles reiniciables.

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]

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

${\displaystyle \Delta R=k\,\Delta T,}$

dónde

${\displaystyle \Delta R}$, cambio en la resistencia,

${\displaystyle \Delta T}$, cambio de temperatura,

${\estilo de visualización k}$, coeficiente de temperatura de resistencia de primer orden .

Dependiendo del tipo de termistor en cuestión, puede ser positivo o negativo.${\estilo de visualización k}$

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.${\estilo de visualización k}$${\estilo de visualización k}$${\estilo de visualización k}$

En lugar del coeficiente de temperatura k , a veces se utiliza el coeficiente de temperatura de resistencia ("alfa sub T"). Se define como ^[6]${\displaystyle \alpha_{T}}$

${\displaystyle \alpha _{T}={\frac {1}{R(T)}}{\frac {dR}{dT}}.}$

Este coeficiente no debe confundirse con el parámetro siguiente.${\displaystyle \alpha_{T}}$${\estilo de visualización a}$

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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]}

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:

${\displaystyle {\frac {1}{T}}=a+b\ln R+c\,(\ln R)^{3},}$

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${\displaystyle (\ln R)^{2}}$${\displaystyle \ln R}$

${\displaystyle \ln R={\frac {b}{3c\,x^{1/3}}}-x^{1/3}}$

dónde

${\displaystyle {\begin{aligned}y&={\frac {1}{2c}}\left(a-{\frac {1}{T}}\right),\\x&=y+{\sqrt {\left({\frac {b}{3c}}\right)^{3}+y^{2}}}.\end{aligned}}}$

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:

${\displaystyle {\begin{aligned}a&=1,40\times 10^{-3},\\b&=2,37\times 10^{-4},\\c&=9,90\times 10^{-8}.\end{aligned}}}$

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 ,${\displaystyle a=1/T_{0}-(1/B)\ln R_{0}}$${\displaystyle b=1/B}$${\estilo de visualización c=0}$

${\displaystyle {\frac {1}{T}}={\frac {1}{T_{0}}}+{\frac {1}{B}}\ln {\frac {R}{R_{0}}},}$

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

${\displaystyle R=R_{0}e^{B\left({\frac {1}{T}}-{\frac {1}{T_{0}}}\right)}}$

o, alternativamente,

${\displaystyle R=r_{\infty}e^{B/T},}$

dónde .${\displaystyle r_{\infty}=R_{0}e^{-B/T_{0}}}$

Esto se puede resolver para la temperatura:

${\displaystyle T={\frac {B}{\ln(R/r_{\infty })}}.}$

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.${\displaystyle \lnR=B/T+\lnr_{\infty}}$${\displaystyle \ln R}$${\estilo de visualización 1/T}$

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

${\displaystyle I=n\cdot A\cdot v\cdot e,}$

dónde

${\displaystyle I}$= corriente eléctrica (amperios),

${\estilo de visualización n}$= densidad de portadores de carga (número/m3 ⁾ ,

${\estilo de visualización A}$= área de la sección transversal del material (m ² ),

${\estilo de visualización v}$= velocidad de deriva de los electrones (m/s),

${\estilo de visualización e}$= carga de un electrón ( culombio).${\displaystyle e=1.602\times 10^{-19}}$

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]

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]

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

${\displaystyle P_{E}=IV,}$

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 :

${\displaystyle P_{T}=K(T(R)-T_{0}),}$

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:$Estilo de visualización T_{0}$

${\displaystyle P_{E}=P_{T}.}$

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:${\displaystyle I=V/R}$

${\displaystyle T_{0}=T(R)-{\frac {V^{2}}{KR}}.}$

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]

• Como dispositivos limitadores de corriente para la protección de circuitos, como reemplazos de fusibles. La corriente que pasa por el dispositivo provoca una pequeña cantidad de calentamiento resistivo. Si la corriente es lo suficientemente grande como para generar calor más rápido de lo que el dispositivo puede perderlo hacia su entorno, el dispositivo se calienta, lo que hace que su resistencia aumente. Esto crea un efecto de autorreforzamiento que aumenta la resistencia, lo que limita la corriente.
• Como temporizadores en el circuito de bobina de desmagnetización de la mayoría de las pantallas CRT. Cuando la unidad de pantalla se enciende inicialmente, la corriente fluye a través del termistor y la bobina de desmagnetización. La bobina y el termistor están dimensionados intencionalmente para que el flujo de corriente caliente el termistor hasta el punto de que la bobina de desmagnetización se apague en menos de un segundo. Para una desmagnetización efectiva, es necesario que la magnitud del campo magnético alterno producido por la bobina de desmagnetización disminuya de manera suave y continua, en lugar de apagarse bruscamente o disminuir en pasos; el termistor PTC logra esto naturalmente a medida que se calienta. Un circuito de desmagnetización que utiliza un termistor PTC es simple, confiable (por su simplicidad) y económico.
• Como calentadores, en la industria automotriz, para proporcionar calefacción a la cabina (además de la calefacción proporcionada por una bomba de calor o el calor residual de un motor de combustión interna) o para calentar el combustible diésel en condiciones de frío antes de la inyección en el motor.
• En osciladores controlados por voltaje y con compensación de temperatura en sintetizadores . ^[21]
• En circuitos de protección de baterías de litio . ^[22]
• En un motor de cera accionado eléctricamente para proporcionar el calor necesario para expandir la cera.
• Muchos motores eléctricos y transformadores de potencia de tipo seco incorporan termistores PTC en sus bobinados. Cuando se utilizan junto con un relé de control, proporcionan protección contra sobretemperatura para evitar daños en el aislamiento. El fabricante del equipo selecciona un termistor con una curva de respuesta altamente no lineal donde la resistencia aumenta drásticamente a la temperatura máxima permitida del bobinado, lo que hace que el relé funcione.
• Para evitar el descontrol térmico en los circuitos electrónicos. Muchos dispositivos electrónicos, por ejemplo, los transistores bipolares , consumen más energía a medida que se calientan. Por lo general, estos circuitos contienen resistencias comunes para limitar la corriente disponible y evitar que el dispositivo se sobrecaliente. Sin embargo, en algunas aplicaciones, los termistores PTC permiten un mejor rendimiento que las resistencias.
• Para evitar el acaparamiento de corriente en circuitos electrónicos. El acaparamiento de corriente puede ocurrir cuando los dispositivos electrónicos están conectados en paralelo. En casos graves, el acaparamiento de corriente puede provocar fallas en cascada de todos los dispositivos. Un termistor PTC conectado en serie con cada dispositivo puede garantizar que la corriente se divida de manera razonablemente uniforme entre los dispositivos.
• En osciladores de cristal para compensación de temperatura, control de temperatura de equipos médicos y automatización industrial, los termistores PTC de silicio muestran un coeficiente de temperatura positivo casi lineal (0,7 %/°C). Se puede agregar una resistencia de linealización si se necesita una linealización adicional. ^[23]

• Como termómetro para mediciones de baja temperatura del orden de 10 K.
• Como dispositivo limitador de corriente de entrada en circuitos de suministro de energía, presentan una resistencia mayor inicialmente, lo que evita que fluyan grandes corrientes al encenderse, y luego se calientan y se vuelven mucho más resistentes para permitir un flujo de corriente mayor durante el funcionamiento normal. Estos termistores suelen ser mucho más grandes que los termistores de tipo de medición y están diseñados específicamente para esta aplicación. ^[24]
• Como sensores en aplicaciones automotrices para monitorear temperaturas de fluidos como el refrigerante del motor, el aire de la cabina, el aire externo o la temperatura del aceite del motor, y enviar las lecturas relativas a unidades de control como la ECU y al tablero.
• Para monitorear la temperatura de una incubadora.
• Los termistores también se utilizan comúnmente en termostatos digitales modernos y para monitorear la temperatura de las baterías mientras se cargan.
• Los termistores se utilizan a menudo en los extremos calientes de las impresoras 3D ; controlan el calor producido y permiten que los circuitos de control de la impresora mantengan una temperatura constante para derretir el filamento de plástico.
• En la industria de manipulación y procesamiento de alimentos, especialmente en los sistemas de almacenamiento y preparación de alimentos, mantener la temperatura correcta es fundamental para prevenir enfermedades transmitidas por los alimentos .
• En toda la industria de electrodomésticos para medir la temperatura, tostadoras, cafeteras, refrigeradores, congeladores, secadores de pelo, etc., todos dependen de termistores para un control adecuado de la temperatura.
• Los termistores NTC vienen en formas desnudas y con orejetas, el primero es para detección de puntos para lograr alta precisión para puntos específicos, como diodos láser, etc. ^[25]
• Para medir el perfil de temperatura dentro de la cavidad sellada de un sensor inercial convectivo (térmico) . ^[26]
• Los conjuntos de sondas de termistor ^[27] ofrecen protección al sensor en entornos hostiles. El elemento de detección del termistor se puede empaquetar en una variedad de carcasas para su uso en industrias como HVAC/R, automatización de edificios, piscinas/spa, energía y electrónica industrial. Las carcasas pueden estar hechas de acero inoxidable, aluminio, cobre, latón o plástico y las configuraciones incluyen roscadas (NPT, etc.), bridadas (con orificios de montaje para facilitar la instalación) y rectas (punta plana, punta puntiaguda, punta redondeada, etc.). Los conjuntos de sondas de termistor son muy resistentes y se pueden personalizar en gran medida para adaptarse a las necesidades de la aplicación. Los conjuntos de sondas han ganado popularidad a lo largo de los años a medida que se han realizado mejoras en las técnicas de investigación, ingeniería y fabricación.
• Los termistores NTC reconocidos por UL en la categoría XGPU2 ayudan a los fabricantes de equipos a ahorrar tiempo y dinero al solicitar aprobaciones de seguridad para su producto final. Los termistores encapsulados en vidrio herméticamente sellados DO-35 ^[28] pueden funcionar hasta 250 °C, lo que les da una ventaja en muchas aplicaciones cuando se solicita UL para un elemento sensor.

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]

• Termómetro de resistencia
• Par termoeléctrico
• Resistencia de hierro-hidrógeno
• Sensor de estiramiento

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Termistores .

• El termistor en bucknell.edu
• Cálculo de coeficientes de Steinhart-Hart para termistores en sourceforge.net
• "Termistores y termopares: cómo adaptar la herramienta a la tarea en la validación térmica" – Journal of Validation Technology