Termistor

Un termistor es un tipo de resistencia semiconductora cuya resistencia depende en gran medida de la temperatura. La palabra termistor es una combinación de las palabras "térmico" y "resistor" . La variación de la resistencia con la temperatura permite que estos dispositivos se utilicen como sensores de temperatura o para controlar la corriente en función de la temperatura. Algunos termistores presentan una resistencia decreciente con la temperatura, mientras que otros la presentan creciente. Esto permite utilizarlos para limitar la corriente en circuitos fríos, por ejemplo, para la protección contra sobretensiones transitorias, o para limitar la corriente en circuitos calientes, por ejemplo, para prevenir el sobrecalentamiento.

Los termistores se clasifican según sus modelos de conducción. Los termistores de coeficiente de temperatura negativo (NTC) tienen menor resistencia a temperaturas elevadas , mientras que los termistores de coeficiente de temperatura positivo (PTC) tienen mayor resistencia a temperaturas elevadas . ^{[ 2 ]}

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

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

• En los termistores NTC (coeficiente de temperatura negativo), la resistencia disminuye a medida que aumenta la temperatura; generalmente debido a que la agitación térmica impulsa los electrones desde la banda de valencia a la banda de conducción. Un termistor NTC se usa comúnmente como sensor de temperatura o en serie con un circuito como limitador de corriente de irrupción .
• En los termistores PTC (coeficiente de temperatura positivo), la resistencia aumenta con la temperatura, generalmente debido a la mayor agitación térmica de la red cristalina, en particular la causada por impurezas e imperfecciones. Los termistores PTC se instalan habitualmente en serie con un circuito y se utilizan para proteger contra sobrecorrientes, funcionando como fusibles rearmables.

Los termistores generalmente se producen utilizando óxidos metálicos en polvo. ^{[ 3 ]} Con fórmulas y técnicas que han mejorado enormemente en los últimos 20 años hasta 2020Los termistores NTC ahora pueden lograr precisiones en amplios rangos de temperatura, como ±0,1  °C o ±0,2  °C desde 0  °C hasta 70  °C, con una excelente estabilidad a largo plazo. Los elementos termistores NTC vienen en muchos estilos, ^{[ 4 ]} tales como encapsulados en vidrio con terminales axiales (diodos DO-35, DO-34 y DO-41), chips recubiertos de vidrio, recubiertos de epoxi con cable de conexión desnudo o aislado y montaje superficial, así como versiones de película delgada. El rango típico de temperatura de funcionamiento de un termistor es de −55  °C a +150  °C, aunque algunos termistores de cuerpo de vidrio tienen una temperatura máxima de funcionamiento de +300  °C.

Los termistores se diferencian de los detectores de temperatura por resistencia (RTD) en que el material utilizado en un termistor suele ser una cerámica o un polímero, mientras que los RTD utilizan 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, generalmente de -90  °C a 130  °C. ^{[ 5 ]}

Suponiendo, como primera aproximación, que la relación entre resistencia y temperatura es lineal , entonces

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

dónde

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

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

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

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

Si${\displaystyle k}$es positivo , la resistencia aumenta con el aumento de la temperatura, y el dispositivo se llama termistor de coeficiente de temperatura positivo ( PTC ) o positor . Hay dos tipos de resistencia PTC : termistor de conmutación y silistor . Si ${\displaystyle k}$es negativo, la resistencia disminuye con el aumento de la temperatura, y el dispositivo se llama termistor de coeficiente de temperatura negativo ( NTC ) . Las resistencias que no son termistores están diseñadas para tener un${\displaystyle k}$ lo más cerca posible de 0 para que su resistencia permanezca prácticamente constante en un amplio rango de temperaturas.

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

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

Este${\displaystyle \alpha _{T}}$El coeficiente no debe confundirse con el${\displaystyle a}$parámetro a continuación.

Los termistores se fabrican típicamente con óxidos metálicos. ^{[ 7 ]} Generalmente se les da 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 de metales del grupo 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 termistores PTC se preparan generalmente a partir de titanatos de bario (Ba), estroncio o plomo (por ejemplo, PbTiO₃ ₎ . ^{[ 9 ] [ 10 ]}

Los termistores también pueden producirse mediante la mezcla acústica resonante de los óxidos mencionados anteriormente, seguida de un proceso de sinterización. Este método reduce el tiempo de producción y puede eliminar por completo la etapa de calcinación. ^{[ 11 ]}

En dispositivos prácticos, el modelo de aproximación lineal (descrito anteriormente) solo es preciso en un rango de temperatura limitado. En rangos de temperatura más amplios, una función de transferencia resistencia-temperatura más compleja proporciona una caracterización más precisa 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 de 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 una${\displaystyle (\ln R)^{2}}$término. En la práctica, la ecuación proporciona buenos resultados numéricos para resistencias expresadas en, por ejemplo, ohmios (Ω) o kiloohmios, pero los coeficientes a, b y c deben indicarse con referencia a esa unidad en particular. ^{[ 12 ]} Para dar la resistencia en función de la temperatura, la ecuación cúbica anterior en${\displaystyle \ln R}$se puede resolver, cuya raíz real viene dada por

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

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. ^{[ 13 ]} 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:

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

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

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

donde las temperaturas y el parámetro B están en kelvin , y R ₀ es la resistencia del termistor a la temperatura T ₀ (25  °C  = 298,15  K). ^{[ 14 ]} 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:

${\displaystyle T={\frac {B}{\ln(R/r_{\infty })}}={\frac {T_{0}*B}{T_{0}*\ln(R/R_{0})+B}}.}$

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

Cuando una corriente eléctrica atraviesa un termistor, genera calor, lo que eleva su temperatura por encima de la de su entorno. Si el termistor se utiliza para medir la temperatura ambiente, este calentamiento eléctrico puede introducir un error significativo (un efecto del observador ) si no se realiza una corrección. Alternativamente, este efecto puede aprovecharse. Por ejemplo, puede utilizarse para fabricar un dispositivo sensible de medición del flujo de aire , como el variómetro electrónico, empleado en un instrumento de velocidad de ascenso para planeadores , o 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 a través del termistor. Esta potencia se convierte en calor, y esta energía térmica se transfiere al entorno circundante. La tasa de transferencia se describe adecuadamente mediante 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 ,${\displaystyle T_{0}}$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:

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

La corriente y el voltaje a través del termistor dependen de la configuración particular del circuito. Como ejemplo sencillo, 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 en 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 indica para el termistor en aire en reposo y en aceite bien agitado. Los valores típicos para un pequeño termistor de perlas de vidrio son 1,5  mW/°C en aire en reposo y 6,0  mW/°C en aceite agitado. Si se conoce de antemano la temperatura ambiente, se puede utilizar un termistor para medir el valor de la constante de disipación. Por ejemplo, el termistor puede utilizarse como sensor de caudal, ya que la constante de disipación aumenta con el caudal del fluido que pasa por el termistor.

La potencia disipada en un termistor se mantiene normalmente a un nivel muy bajo para garantizar un error de medición de temperatura insignificante debido al auto calentamiento. Sin embargo, algunas aplicaciones de termistores dependen de un "auto calentamiento" 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 de nivel de líquido, la medición de flujo de líquido y la medición de flujo de aire. ^{[ 6 ]}

El primer termistor NTC fue descubierto en 1833 por Michael Faraday , quien informó sobre el comportamiento semiconductor del sulfuro de plata . Faraday observó que la resistencia del sulfuro de plata disminuía drásticamente al aumentar la temperatura. Esta fue también la primera observación documentada de un material semiconductor . ^{[ 30 ]}

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. ^{[ 31 ]} Un termistor comercialmente viable fue inventado por Samuel Ruben en 1930. ^{[ 32 ]}

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

• El termistor en bucknell.edu
• Cálculo de coeficientes de Steinhart-Hart para termistores en sourceforge.net
• "Termistores y termopares: la herramienta adecuada para la validación térmica" – Revista de Tecnología de Validación