Termistor

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

Los termistores se dividen según su modelo 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. Por lo tanto, la resistencia de un termistor PTC es directamente proporcional a la temperatura.

Los termistores NTC se usan ampliamente como limitadores de corriente de irrupción, sensores de temperatura, mientras que los termistores PTC se usan como protectores contra sobrecorriente con restablecimiento automático y elementos calefactores autorregulables. El rango de temperatura de funcionamiento de un termistor depende del tipo de sonda y suele estar entre −100 °C y 300 °C (−148 °F y 572 °F).

Tipos

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

• Con NTC termistores, la resistencia disminuye a medida que aumenta la temperatura; generalmente debido a un aumento de electrones de conducción chocados por la agitación térmica de la banda de valence. Un NTC se utiliza comúnmente como sensor de temperatura, o en serie con un circuito como un limitador de corriente de entrada.
• Con PTC termisores, la resistencia aumenta a medida que la temperatura aumenta; generalmente debido al aumento de las agitaciones térmicas sobre todo las de impurezas e imperfecciones. Los termistores PTC se instalan comúnmente en serie con un circuito, y se utilizan para proteger contra corrientes condiciones, como fusibles reiniciables.

Los termistores generalmente se fabrican con óxidos de metal en polvo. Con fórmulas y técnicas ampliamente mejoradas durante los últimos 20 años, 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 del termistor NTC vienen en muchos estilos, como chips recubiertos de vidrio con plomo axial encapsulados en vidrio (diodos DO-35, DO-34 y DO-41), recubiertos con epoxi con cable conductor desnudo o aislado y montaje en superficie, como así como varillas y discos. 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 máxima de funcionamiento de +300 °C.

Los termistores se diferencian de los detectores de temperatura de resistencia (RTD) en que el material que se usa en un termistor es generalmente cerámica o polímero, mientras que los RTD usan metales puros. La respuesta a 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.

Funcionamiento básico

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 de resistencia,

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

${displaystyle k}$, coeficiente de temperatura de primer orden de resistencia.

Dependiendo del tipo del termistor en cuestión el ${displaystyle k}$ puede ser positivo o negativo.

Si ${displaystyle k}$ es positivo, la resistencia aumenta con la temperatura creciente, y el dispositivo se llama un coeficiente de temperatura positiva (PTC) thermistor, o posistor. Si ${displaystyle k}$ es negativo, la resistencia disminuye con la temperatura creciente, y el dispositivo se llama un coeficiente de temperatura negativa (NTCThermistor. Resistors that are not thermistors are designed to have a ${displaystyle k}$ tan cerca de 0 como sea posible, para que su resistencia permanezca casi constante sobre un amplio rango de temperatura.

En lugar del coeficiente de temperatura k, a veces el coeficiente de temperatura de resistencia ${displaystyle alpha _{T}$ ("alpha sub T") se utiliza. Se define como

${displaystyle alpha ¿Qué? {dR} {dT}}$

Esto ${displaystyle alpha _{T}$ el coeficiente no debe confundirse con el ${displaystyle a}$ Parámetro debajo.

Construcción y materiales

Los termistores generalmente se construyen con óxidos metálicos.

Los termistores NTC se fabrican a partir de óxidos del grupo de metales del hierro: p. cromo (CrO, Cr2O3), manganeso (por ejemplo, MnO), cobalto (CoO), hierro (óxidos de hierro) y níquel (NiO, Ni2O3).

Los PTC generalmente se preparan a partir de titanatos de bario (Ba), estroncio o plomo (p. ej., PbTiO₃).

Ecuación de Steinhart-Hart

En 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 de resistencia más compleja proporciona una caracterización más fiel del rendimiento. La ecuación de Steinhart-Hart es una aproximación de tercer orden ampliamente utilizada:

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

Donde a, b y c se llaman los parámetros Steinhart-Hart y deben ser especificados 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 resulta en una ecuación con una forma diferente, que contiene un ${displaystyle (ln R)} {2}$ termino. En la práctica, la ecuación da buenos resultados numéricos para las resistencias expresadas en ohms o kΩ, pero los coeficientes a, b, y c deben ser declarados con referencia a la unidad. Para dar resistencia como función de temperatura, la ecuación cúbica anterior en ${displaystyle ln R}$ puede ser resuelto, cuya raíz real es dada por

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

dónde

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

El error en la ecuación de Steinhart-Hart suele ser inferior a 0,02 °C en la medición de la temperatura en un rango de 200 °C. 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:

${displaystyle {begin{aligned}a ventaja=1.40times 10^{-3},b círculo=2.37times 10^{-4},\c círculo=9.90times 10^{-8}.end{aligned}}$

Ecuación del parámetro B o β

Los termisores NTC también pueden caracterizarse con los B (o β) ecuación de parámetro, que es esencialmente la ecuación Steinhart-Hart con ${displaystyle a=1/T_{0}-(1/B)ln R_{0}$, ${displaystyle b=1/B}$ y ${displaystyle c=0}$,

${displaystyle {frac {f} {f}}={frac} {1}{0}}}+{frac} {1}{B}ln} {fnMicroc {R} {R_{0}}}}$

donde las temperaturas y el parámetro B están en kelvins, y R₀ es la resistencia a la temperatura T₀ (25 °C = 298,15 K). Resolviendo para rendimientos de R

${displaystyle R=R_{0}e^{Bleft({frac {1} {fn}} {fnK}}} {fn0}}} {fnK}}}} {fn0}}}} {fn}}}} {f}}}} {f}}}} {f}}}} {f}}} {f}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {f}}}} {f}}}}}}}} {f}}}}}}} {f}}}}}}} {f}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}$

o, alternativamente,

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

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

Esto se puede resolver para la temperatura:

${displaystyle T={frac}}}}}$

El B- ecuación del parámetro también se puede escribir como ${displaystyle ln R=B/T+ln r_{infty}$. Esto se puede utilizar para convertir la función de resistencia vs. la temperatura de un termistor en una función lineal ${displaystyle ln R}$ vs. ${displaystyle 1/T}$. La pendiente media de esta función dará entonces una estimación del valor del B Parámetro.

Modelo de conducción

NTC (coeficiente de temperatura negativo)

Un termisor NTC fallido (bloqueado) que trabajó como un limitador de corriente de entrada en un suministro de energía de movimiento conmutado

Muchos termistores NTC están hechos de un disco prensado, varilla, placa, perla o chip fundido de material semiconductor, como óxidos de metal sinterizado. Funcionan porque el aumento de 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 estén disponibles, más corriente puede conducir un material. En ciertos materiales como el óxido férrico (Fe₂O₃) con dopaje de titanio (Ti) se forma un semiconductor 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 tipo p, donde los agujeros son los portadores de carga.

Esto se describe en la fórmula

${displaystyle I=ncdot Acdot vcdot e,}$

dónde

${displaystyle Yo...$ = corriente eléctrica (amplificadores),

${displaystyle n}$ = densidad de portadores de carga (contra/m³),

${displaystyle A}$ = área transversal del material (m²),

${displaystyle v}$ = velocidad de deriva de electrones (m/s),

${displaystyle e}$ = carga de un electrón (${displaystyle e=1.602times 10^{-19}$ coulomb).

Con grandes cambios de temperatura, es necesaria la calibración. Con pequeños cambios de temperatura, si se utiliza el semiconductor correcto, 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).

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

PTC (coeficiente de temperatura positivo)

La mayoría de los termistores PTC están hechos de cerámica policristalina dopada (que contiene titanato de bario (BaTiO₃) 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 de Curie, la alta constante dieléctrica 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. A 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 grano y la resistencia aumenta bruscamente con la temperatura. Incluso a temperaturas 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 temperatura de resistencia casi lineal. Los termistores PTC de silicio tienen una desviación mucho menor que un termistor NTC. Son dispositivos estables que se encuentran sellados herméticamente en un paquete encapsulado de vidrio emplomado axial.

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

La dinámica de los termistores PTC alimentados 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 de limitación de corriente puede reemplazar los fusibles. En los circuitos de desmagnetización de muchos monitores y televisores CRT, un termistor elegido apropiadamente se conecta 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 calefacción 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" "Semifusible" y "Multifusible". Este consiste en plástico con granos de carbono incrustados en él. Cuando el plástico se enfría, los granos de carbón están todos en contacto entre sí, formando un camino conductor a través del dispositivo. Cuando el plástico se calienta, se expande, forzando la separación de los granos de carbono y haciendo que aumente la resistencia del dispositivo, lo que provoca un aumento del calentamiento y un rápido aumento de la resistencia. Al igual que el termistor BaTiO₃, este dispositivo tiene una respuesta de temperatura/resistencia 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 fabricar en forma de cables o tiras, útiles para el trazado de calor. Termistores PTC "enganche" en estado caliente/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/latch primitivo, y el efecto se mejora mediante el uso de dos termistores PTC en serie, con un termistor frío y el otro termistor caliente.

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

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 del observador) si no se realiza una corrección. Alternativamente, este efecto en sí mismo puede ser explotado. Puede, por ejemplo, hacer un dispositivo de flujo de aire sensible empleado en un instrumento de velocidad de ascenso de un planeador, el variómetro electrónico, o servir como un temporizador para un relé como se hacía anteriormente en las centrales telefónicas.

La entrada de energía eléctrica al termistor es solo

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

donde I es la corriente y V es la caída de tensión en el termistor. Esta potencia 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 como una función de su resistencia R, ${displaystyle T_{0}$ es la temperatura del entorno, y K es disipación constante, generalmente expresado en unidades de milliwatts por grado Celsius. En equilibrio, las dos tasas deben ser iguales:

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

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

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

La constante de disipación es una medida de la conexión térmica del termistor con su entorno. Generalmente se da para el termistor en aire quieto y en aceite bien agitado. Los valores típicos para un termistor pequeño de perlas de vidrio son 1,5 mW/°C en aire quieto y 6,0 mW/°C en aceite agitado. Si se conoce de antemano la temperatura del ambiente, se puede usar 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 generalmente se mantiene a un nivel muy bajo para garantizar un error de medición de temperatura insignificante debido al autocalentamiento. Sin embargo, algunas aplicaciones de termistor dependen de un "autocalentamiento" 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 detección de nivel de líquido, medición de flujo de líquido y medición de flujo de aire.

Aplicaciones

PTC

• Como dispositivos de limitación actual para la protección de circuitos, como reemplazos para fusibles. La corriente a través del dispositivo provoca una pequeña cantidad de calefacción resistiva. Si la corriente es lo suficientemente grande para generar más calor del que el dispositivo puede perder a su entorno, el dispositivo se calienta, causando su resistencia a aumentar. Esto crea un efecto auto-reforzamiento que impulsa la resistencia hacia arriba, limitando así la corriente.
• Como temporizadores en el circuito de bobinas degaussing de la mayoría de las pantallas CRT. Cuando la unidad de visualización se activa inicialmente, la corriente fluye a través del termistor y la bobina de degaussing. La bobina y el termistor son tamaño intencional para que el flujo actual calentará el termistor hasta el punto de que la bobina de degaussing se apaga bajo un segundo. Para el desgaussing eficaz, es necesario que la magnitud del campo magnético alterno producido por la bobina desgaussing disminuya suave y continuamente, en lugar de apagarse o disminuir bruscamente los pasos; el termistor de PTC logra esto naturalmente a medida que se calienta. Un circuito de degaussing usando un termistor PTC es simple, confiable (por su simplicidad), y barato.
• Como calentador en la industria automotriz para proporcionar calor adicional dentro de la cabina con motor diesel o para calentar diesel en condiciones climáticas frías antes de la inyección del motor.
• En temperatura compensado sintetizador osciladores controlados de tensión de voltaje.
• En circuitos de protección de baterías de litio.
• En un motor de cera eléctricamente accionado para proporcionar el calor necesario para expandir la cera.
• Muchos motores eléctricos y transformadores de energía de tipo seco incorporan termisores de PTC en sus enrollamientos. Cuando se utiliza junto con un relé de monitoreo, proporcionan protección de la sobretemperatura para prevenir daños de aislamiento. El fabricante de equipos selecciona un termistor con una curva de respuesta altamente no lineal, donde la resistencia aumenta drásticamente a la temperatura máxima permitida de enrollamiento, causando que el relé funcione.
• Para prevenir la fuga térmica en circuitos electrónicos. Muchos dispositivos electrónicos, por ejemplo los transistores bipolares, atraen más potencia a medida que se ponen más calientes. Comúnmente, tales circuitos contienen resistores ordinarios para limitar la corriente disponible y evitar que el dispositivo se recaliente. Sin embargo, en algunas aplicaciones, los termistores PTC permiten un mejor rendimiento que los resistores.
• Para evitar el acaparamiento actual en circuitos electrónicos. El bloqueo actual puede ocurrir cuando los dispositivos electrónicos están conectados en paralelo. En casos graves, el acaparamiento actual puede causar fallas en cascada de todos los dispositivos. Un termistor PTC unido en serie con cada dispositivo puede asegurar que la corriente se divide razonablemente uniformemente entre los dispositivos.
• En los osciladores de cristal para la compensación de temperatura, el control de temperatura del equipo médico y la automatización industrial, los termistuladores de Silicon PTC muestran un coeficiente de temperatura positiva casi lineal (0,7%/°C). Se puede añadir un resistor de linearización si se necesita más linealización.

NTC

• Como termómetro para mediciones de baja temperatura del orden de 10 K.
• Como un dispositivo limitador de corriente de inrush en circuitos de suministro de energía, presentan una mayor resistencia inicialmente, que evita que las corrientes grandes fluyan a la vuelta, y luego calientan y se convierten en una resistencia mucho menor para permitir un mayor flujo de corriente durante el funcionamiento normal. Estos termistores son generalmente mucho más grandes que los medidores de tipo de medición, y están diseñados a propósito para esta aplicación.
• Como sensores en aplicaciones automotrices para monitorear temperaturas de fluidos como el refrigerante del motor, aire de cabina, aire externo o aceite del motor, y alimentar las lecturas relativas para controlar unidades como el ECU y el panel de control.
• Para monitorear la temperatura de una incubadora.
• Los termostatos también se utilizan comúnmente en los termostatos digitales modernos y para monitorear la temperatura de los paquetes de batería mientras se carga.
• Los termistores se utilizan a menudo en los extremos calientes de las impresoras 3D; monitorean el calor producido y permiten que el circuito de control de la impresora mantenga una temperatura constante para fundir el filamento plástico.
• En la industria de manipulación y procesamiento de alimentos, especialmente para sistemas de almacenamiento de alimentos y preparación de alimentos. Mantener la temperatura correcta es fundamental para prevenir enfermedades transmitidas por alimentos.
• A lo largo de la industria del consumidor para medir la temperatura. Toasters, cafeteras, refrigeradores, congeladores, secadores de pelo, etc. todos dependen de los termistores para el control de temperatura adecuado.
• Los termisores NTC vienen en formas desnudas y afiladas, el primero es para la detección de puntos para lograr una alta precisión para puntos específicos, como el diodo láser muere, etc.
• Para la medición del perfil de temperatura dentro de la cavidad sellada de un sensor inercial convectivo (termal).
• Las asambleas Thermistor Probe ofrecen protección del sensor en entornos difíciles. El elemento de detección del termistor se puede empaquetar en una variedad de recintos para uso en industrias como HVAC/R, automatización de edificios, piscina/Spa, energía y electrónica industrial. Los recintos se pueden fabricar de acero inoxidable, aluminio, latón de cobre o plástico y las configuraciones incluyen roscados (NPT, etc), flaneados (con agujeros de montaje para facilidad de instalación) y rectos (punto plano, punta puntiaguda, punta radial, etc.). Las asambleas de sonda de Thermistor son muy resistentes y son altamente personalizables para adaptarse a las necesidades de la aplicación. Las asambleas de sonda han ganado popularidad a lo largo de los años, ya que se han realizado mejoras en técnicas de investigación, ingeniería y fabricación.
• Los termisores NTC reconocidos UL en la categoría XGPU2 ayudan a ahorrar tiempo y dinero a los fabricantes de equipos cuando solicitan aprobación de seguridad para su producto final. DO-35 hermetically sell glass encapsulated thermistors can operate up to 250° C que les da una ventaja en muchas aplicaciones cuando se solicita UL para un elemento de detección.

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).

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. Samuel Ruben inventó un termistor comercialmente viable en 1930.