Todo Sobre los Sensores de Temperatura con Termistor NTC

La detección de temperatura se encuentra en todas partes a nuestro alrededor. Su teléfono móvil, su automóvil, el refrigerador de su cocina e incluso la maquinaria del centro médico cercano emplean algún método de detección de temperatura. Aunque existen muchas formas diferentes de medir la temperatura, un tipo en particular siempre ha destacado debido a su alta sensibilidad, tamaño reducido y adaptabilidad el termistor NTC.

Aunque no reciben tanta publicidad como algunos de los dispositivos más sofisticados, la precisión y confiabilidad de los termistores NTC los han hecho esenciales en innumerables sectores industriales. Este artículo destaca el termistor NTC, sus principios de operación, manifestaciones físicas, aspectos comparativos con otros tipos de sensores y sus aplicaciones.

¿Qué es un Termistor NTC?

La palabra “termistor” es una combinación de dos palabras: térmico y resistor. “Térmico” se refiere a todo lo relacionado con el calor, mientras que resistor se refiere a un dispositivo electrónico pasivo utilizado para resistir corrientes eléctricas en los circuitos. En sentido literal, un termistor es cualquier resistor cuya resistencia se ve enormemente afectada por la temperatura. El término NTC significa Coeficiente de Temperatura Negativo (Negative Temperature Coefficient). Esto implica que la resistencia de un termistor NTC disminuye cuando la temperatura aumenta.

Los termistores NTC se fabrican utilizando cerámicas semiconductoras, generalmente compuestas de óxidos metálicos como manganeso, níquel, cobalto, cobre o hierro. Luego se compactan para formar tamaños pequeños, como cuentas, discos, chips y varillas. Su naturaleza semiconductora les permite responder de manera altamente sensible a los cambios de temperatura. Un termistor NTC puede incluso detectar cambios de temperatura de 0.05 grados Celsius cuando se requiere. Por esta razón, son ideales para diversas situaciones.

¿Cómo Funciona Realmente un Termistor NTC?

Una breve comprensión de la física de semiconductores permitirá entender cómo opera un termistor NTC. En cualquier material semiconductor dado, siempre existe una cierta cantidad mínima de energía que los electrones deben poseer antes de poder escapar de los enlaces que los mantienen en su lugar dentro del material, con el fin de convertirse en portadores de carga. La energía necesaria para este propósito se denomina energía de banda prohibida (bandgap).

A medida que la temperatura disminuye, muy pocos electrones tienen la cantidad de energía necesaria para moverse. En tales casos, la resistencia será alta. Con un aumento de la temperatura, más electrones adquieren la cantidad de energía requerida, lo que aumenta la conductividad y disminuye la resistencia. A diferencia de metales como el platino, cuya resistividad aumenta con el incremento de la temperatura, la resistividad de los semiconductores disminuye con la temperatura.

La relación entre la temperatura y la resistencia es no lineal en un termistor NTC y se expresa matemáticamente mediante la conocida ecuación de Steinhart-Hart. La versión simplificada de esta es la ecuación del parámetro B, que se presenta de la siguiente manera: 

R(T)=R₀exp(B(1/T−1/T₀))

Por lo tanto, R(T) significa la resistencia a la temperatura T medida en Kelvin, mientras que R₀ denota la resistencia a la temperatura de referencia T₀, que generalmente es de 25°C. El parámetro B varía según el óxido empleado y se encuentra dentro del rango de 2000K a 5000K.

¿Qué Criterios son Importantes Durante la Selección?

Los siguientes criterios describen el rendimiento del termistor NTC elegido:

• Resistencia a 25°C (R25): Este criterio indica la resistencia de un material determinado a la temperatura de referencia de 1kΩ, 10kΩ y 100kΩ, siendo 10kΩ la designación más común para aplicaciones de equipos de consumo y médicos.
• Valor B (valor beta): La constante del material que define la pendiente de la dependencia resistencia-temperatura. Cuanto mayor sea el valor B, más sensible y no lineal será la curva.
• Tolerancia: Muestra qué tan precisamente la resistencia del termistor corresponde a su valor nominal. Existen varias tolerancias: ±1%, ±2% y ±5%.
• Rango de temperatura de operación: El rango de temperatura de operación del termistor es de -55°C a 150°C.
• Tiempo de respuesta: Muestra qué tan rápido puede estabilizarse el termistor a la temperatura de medición; depende del tamaño y peso del termistor, así como del medio en el que opera.
• Constante de disipación: La potencia en mW necesaria para aumentar la temperatura del propio termistor en 1°C.

Se debe prestar atención al problema del autocalentamiento. Para medir la resistencia del termistor, es necesario hacer pasar corriente a través de él. Sin embargo, esto provoca calentamiento y, por lo tanto, un pequeño pero sistemático error de medición.

¿Qué Formas Físicas Adoptan los Termistores NTC?

Los termistores NTC se presentan en diferentes formas según la aplicación en la que se utilicen. En la mayoría de los casos, la decisión de elegir una forma sobre otra puede estar influenciada tanto por el entorno operativo como por las características eléctricas.

Termistores de Cuenta (Bead)

Los termistores de cuenta se encuentran entre los tipos más pequeños y rápidos disponibles. Este tipo presenta una minúscula cuenta semiconductora, normalmente más pequeña que un milímetro de diámetro. Los cables conductores se integran directamente en la cuenta para mejorar el rendimiento. Los termistores de cuenta pueden responder rápidamente a las variaciones de temperatura debido a su baja masa térmica.

Termistores de Disco o Chip

Los termistores de disco o chip tienen forma de disco. Se fabrican utilizando polvos cerámicos y luego se sinterizan para crear un objeto sólido. Los electrodos se añaden a la superficie de los discos. Representan los termistores típicos de montaje superficial que se instalan en una placa de circuito impreso.

Termistores de Varilla

Los termistores de varilla tienen forma cilíndrica o de varilla. Pueden medir líquidos y gases dentro de tubos cerrados y presentan valores de resistencia más altos.

¿Cómo se Comparan los Termistores NTC con Otros Sensores de Temperatura?

Comparar los termistores NTC con otros sensores de temperatura permitirá comprender exactamente dónde pueden operar de manera más eficiente estos termistores.

En comparación con los termopares, los termistores NTC muestran una sensibilidad y precisión de mediciones mucho mayores que sus rivales. Por ejemplo, utilizar un termopar para medir dentro de un horno donde las temperaturas alcanzan los 1200°C es la única opción viable para realizar tal medición. Sin embargo, para medir la temperatura corporal humana, que es de 37°C, el termistor NTC es más eficiente que su alternativa. El termopar requiere compensación de la unión de referencia, mientras que el termistor NTC no la necesita, además de ser inmune a las interferencias eléctricas.

Las ventajas del RTD son su alta linealidad, un rango de temperatura de operación más amplio y buena estabilidad en comparación con los termistores NTC. Por el contrario, los termistores NTC son más económicos y sensibles que los termómetros RTD. Por lo tanto, para la producción farmacéutica o instrumentos de calibración precisos, el instrumento preferido es el RTD. En cuanto a la electrónica de consumo o el uso clínico, los termistores NTC son obviamente mejores para estos propósitos.

En comparación con los sensores de circuito integrado semiconductor, los termistores NTC necesitan un acondicionamiento adicional de su señal debido a que su salida es no lineal; sin embargo, reaccionan rápidamente, son de menor tamaño y tienen alta sensibilidad. Los sensores IC están listos para usar y son fáciles de integrar con dispositivos digitales; no obstante, consumen más corriente y carecen de precisión en los extremos de su rango de medición. Los estudios han revelado que, dentro del rango de temperatura de 35°C a 42°C en el cuerpo humano, un termistor NTC adecuadamente especificado superaría a los sensores IC en precisión por un factor de cinco o más.

¿Dónde se Utilizan Realmente los Termistores NTC?

El alcance de los usos de los termistores NTC es incluso más amplio de lo que uno podría imaginar. La sensibilidad, compacidad, respuesta rápida y bajo costo de los termistores NTC permiten su aplicación en prácticamente cualquier industria que requiera monitoreo de control de temperatura.

Sector Sanitario y Médico

Los termistores NTC se utilizan en termómetros digitales, monitores de pacientes, incubadoras para bebés, máquinas de diálisis y equipos de respiración. Debido a su respuesta rápida y alta precisión, especialmente en el rango de 35°C a 42°C, los termistores NTC son los más adecuados. Los artículos sanitarios desechables también incorporan termistores NTC para prevenir la contaminación durante las mediciones de temperatura corporal en operaciones.

Gestión de Baterías

Los dispositivos electrónicos portátiles, como teléfonos móviles, computadoras, bancos de energía y otros, emplean termistores NTC para detectar la temperatura de cada celda dentro de un paquete de baterías. Dado que las baterías de litio deben monitorearse constantemente, ya que cualquier condición de funcionamiento por encima de 45°C puede reducir la vida útil de una batería en un 20%, los termistores NTC son esenciales. Operar a una temperatura superior a 60°C presenta riesgos, ya que fácilmente puede ocurrir una fuga térmica.

Industria Automotriz

Los automóviles contemporáneos utilizan termistores NTC para detectar la temperatura del refrigerante, la temperatura de admisión de aire, la temperatura del aire de la cabina y la temperatura de la batería en vehículos eléctricos. La temperatura del refrigerante importa mucho, ya que es necesaria para el ajuste del tiempo de inyección de combustible y el avance del tiempo de encendido. Los termistores NTC automotrices tienen rangos de operación que van desde -40°C hasta 130°C.

Aires Acondicionados y Otros Electrodomésticos

Además de los usos anteriores, el termistor NTC se utiliza en aplicaciones domésticas como aires acondicionados, bombas de calor, refrigeradores, lavadoras, lavavajillas y muchos otros dispositivos. Por ejemplo, al usar un sistema de refrigeración, el termistor NTC se coloca dentro de la máquina refrigerante y en la parte del evaporador de la máquina.

Aplicaciones en el Monitoreo de Procesos Industriales

Mientras que los sensores RTD son comunes en casi todas las aplicaciones de monitoreo de procesos industriales, existe cierto nivel de participación de los termistores NTC en aplicaciones industriales de menor temperatura, sistemas de procesamiento de alimentos, instrumentos de laboratorio, entre otros, debido a su rentabilidad.

Aplicación en Impresión 3D

Los termistores se utilizan comúnmente como sensores de temperatura dentro de los hotends de las impresoras 3D FDM. Los sensores se ubican cerca de la boquilla de impresión para proporcionar información de temperatura al controlador de la impresora, responsable de controlar los elementos calefactores según el tipo de material utilizado en el trabajo de impresión.

¿Cuáles son las Limitaciones que Vale la Pena Conocer?

• La no linealidad de la salida requiere corrección matemática o tablas de consulta para obtener lecturas precisas en un amplio rango
• Rango de temperatura de operación limitado en comparación con los termopares y los RTD de platino
• Error de autocalentamiento si la corriente de excitación no se controla cuidadosamente en el diseño del circuito
• La estabilidad a largo plazo es menor que la de los RTD de platino en aplicaciones que requieren precisión durante muchos años
• La intercambiabilidad puede ser inconsistente con componentes de menor tolerancia o calidad inferior

Conclusión

Los termistores NTC finalmente han encontrado su lugar en el ámbito de la medición de temperatura. Dispositivos de este tipo serían perfectos para diferentes entornos, como dispositivos cotidianos, equipos médicos que salvan vidas, monitoreo constante del estado de los pacientes, vehículos eléctricos y artículos del hogar.

Es vital conocer todo sobre su funcionamiento, qué se puede desarrollar con su ayuda y en qué condiciones funcionarán bien. Y una vez aplicado correctamente, un termistor NTC será una solución pequeña, económica y altamente confiable para uno de los problemas fundamentales de la ingeniería: medir la temperatura con precisión.

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