3. Termistores .

Compuesto de una mezcla sintetizada de óxidos metálicos, el termistor es esencialmente un semiconductor que se comporta como un "resistor térmico" con un coeficiente térmico de temperatura negativo de valor muy elevado. Los termistores son una clase de óxido metálico (material semiconductor) que normalmente tiene un alto coeficiente de resistencia de temperatura negativo, pero también puede ser positivo.

Los termistores tienen una alta sensibilidad que puede tener un cambio de hasta un 10 por ciento por grado Celsius, lo que los convierte en los elementos de temperatura más sensibles disponibles, pero con características de muy baja linealidad. Los tiempos de respuesta típicos son de 0,5 a 5 s con un rango de funcionamiento de -50 a normalmente 300 °C. Los dispositivos están disponibles con un rango de temperatura ampliado a 500 °C. Los termistores son de bajo costo y se fabrican en una amplia gama de formas, tamaños y valores. Cuando está en uso, se debe tener cuidado de minimizar los efectos del calentamiento interno. Los materiales de termistores tienen un coeficiente de temperatura de resistencia (α) dado por

donde ∆R es el cambio de resistencia debido a un cambio de temperatura ∆T y R_S la resistencia del material a la temperatura de referencia.

Las características no lineales son las que se muestran en la curva de la figura siguiente y hacen que el dispositivo sea difícil de usar como un dispositivo de medición preciso sin compensación, pero su sensibilidad y bajo costo lo hacen útil en muchas aplicaciones.

Fig. : Thermistor resistance temperature curve.- Curva de temperatura de resistencia del termistor.

El dispositivo se usa normalmente formando parte de un circuito puente y se rellena con una resistencia para reducir su no linealidad.

Los termistores también se pueden encontrar en el mercado con la denominación NTC (Negative Temperature Coeficient ) habiendo casos especiales de coeficiente positivo cuando su resistencia aumenta con la temperatura y se los denomina PTC (Positive Temperature Coeficient).

En algunos casos, la resistencia de un termistor a la temperatura ambiente puede disminuir en hasta 6% por cada 1ºC de aumento de temperatura.

Esta elevada sensibilidad a variaciones de temperatura hace que el termistor resulte muy adecuado para mediciones precisas de temperatura, utilizándoselo ampliamente para aplicaciones de control y compensación en el rango de 150ºC a 450ºC.

El termistor se fabrica a partir de óxidos metálicos comprimidos y sintetizados. Los metales utilizados son níquel, cobalto, manganeso, hierro, cobre, magnesio y titanio, como típicas se pueden considerar las preparaciones de óxido de manganeso con cobre y óxido de níquel con cobre . Modificando las proporciones de óxido se puede variar la resistencia básica un termistor ; se dispone de termistores con resistencias básicas a 25 ºC desde unos pocos cientos hasta varios millones de ohms.

Los termistores sirven para la medición o detección de temperatura tanto en gases, como en líquidos o sólidos. A causa de su muy pequeño tamaño, se los encuentra normalmente montados en sondas o alojamientos especiales que pueden ser específicamente diseñados para posicionarlos y protegerlos adecuadamente cualquiera sea el medio donde tengan que trabajar.

Se los puede adosar fácilmente o montar con tornillos, ir roscados en superficies o cementados. Los alojamientos pueden ser de acero inoxidable, aluminio, plástico, bronce u otros materiales.

Las configuraciones constructivas del termistor de uso más común son los glóbulos, las sondas y los discos. Los glóbulos se fabrican formando pequeños elipsoides de material de termistor sobre dos alambres finos separados unos 0,25 mm (fig. l). Normalmente recubiertos con vidrio por razones de protección, son extremadamente pequeños (0,15 mm a 1,3 mm de diámetro) y ofrecen una respuesta extremadamente rápida a variaciones de temperatura.

Figura 1. Formas constructivas de termistores NTC a. Tipo glóbulo con diferentes tipos de terminales - b. Tipo disco - c. Tipo barra .

Cobre/Constantán

Hierro/Constantán

Chromel/Alumel 

Pt/Pt - 10% Rh

Tabla 1. Sensibilidades relativas de termistores, termorresistencias y termocuplas .

Figura : Termistor NTC de alta potencia, termistor de 10 k ohmios para lámparas / balastos

Figura : Termistores sensores NTC

Las sondas son glóbulos con conductores de extensión sellados dentro de puntas de varillas de vidrio sólidas con diámetros de 0,76 mm a 2.54 mm y largos de 6,3 mm a 50 mm. Las sondas de vidrio resultan por lo general robustas y más fáciles de montar que los glóbulos pero tienen una mayor constante de tiempo y requieren más espacio.

Los discos se fabrican prensando el material bajo una presión de varias toneladas dentro de un molde redondo, lográndose piezas cilíndricas planas. Resultan útiles para las sondas de medición de temperatura en superficies donde se deben sensar un área relativamente grande .

3.1.Características

En comparación con las termocuplas y las termorresistencias, el termistor no ofrece ventajas de exactitud de salida y estabilidad. Posiblemente, una ventaja importante esté en la extremadamente elevada sensibilidad del termistor a variaciones de temperatura, lo cual puede apreciarse en la Tabla 1.

Los termistores NTC poseen elevadas resistencias a baja temperatura, pero sus resistencias disminuyen exponencialmente a medida que crece la temperatura. Por el contrario, las resistencias de los metales como ser platino, níquel y cobre aumentan linealmente con la temperatura fig. 2).

Los termistores no sirven para la medición de temperatura dentro de alcances amplios puesto que sus variaciones de resistencia son demasiado grandes para que puedan medirse de una manera adecuada con un solo instrumento; alcances de alrededor de 100K suelen ser lo máximo admisible.

Los termistores resultan particularmente útiles para medir alcances reducidos de temperatura justamente a causa de sus grandes variaciones de resistencia; por ejemplo, la resistencia de un termistor típico varía 156 ohms de 0ºC a 1ºC , mientras la del platino varía tan sólo 0,385 ohm.

La elevada resistencia de los termistores no sólo hace aumentar la sensibilidad, posibilitando la medición de alcances reducidos de temperatura, sino también permite la conexión bifilar. La resistencia del alambre de conexión y los efectos de la temperatura ambiente son despreciables si se los compara con la resistencia del termistor y las variaciones de resistencia.

La estabilidad del termistor es una de las características que están bajo estudio. Recientemente es ha desarrollado una técnica de deposición electr6nica de radiofrecuencia que produce sensores de SiC de película delgada adecuados para temperaturas entre 100ºC y 450ºC ... y se dicen que sufren un cambio de resistencia menor del 3% luego de 2.000 horas a 400ºC.

La linealidad es otra área donde se registran importantes avances. Actualmente se está fabricando un termistor que puede mantenerse lineal dentro de 0,5ºC desde ? 65ºC hasta 200ºC. La especificación es estrictamente válida sólo para potencia cero, puesto que los problemas de disipación de calor interfieren con el de desempeño , pero el fabricante sostiene que los errores son mínimos a los niveles prácticos de corriente y tensión.

La linealización también puede obtenerse mediante un diseño adecuado del circuito de medición La linealización digital suele ser considerada efectiva para la mayoría de los termistores con un rango de trabajo no mayor a 1000 ohms. Para los sistemas analógicos opera los sistemas digitales que se estima funcionarán más allá de ese rango, la practica normal es emplear un resistor secundario en paralelo con el termistor de forma de linealizarlo y también poder hacerlo intercambiable con sensores del mismo tipo (fig.3) Con esta solución, por lo general, su coeficiente de temperatura decrece muchísimo, pero sin llegar a los valores típicos de una termorresistencia metálica.

En las aplicaciones de medición y control de temperatura, el termistor se usa, generalmente, como uno de los brazos de un puente Wheatstone convencional. Este tipo de circuito suministra una máxima sensibilidad. Para aumentar los niveles de salida del puente, se puede insertar un amplificador entre la salida del puente y el instrumento indicador o dispositivo de control. Este dispositivo es el que también se utiliza en el caso de las termorresistencias metálicas.

fIGURA : Circuito de (a) puente de Wheatstone y (b) compensación de la resistencia de los cables utilizados en la teledetección.

Figura 2. Relación  Rt + R20 en función de la temperatura para termorresistencias metálicas (Pt, Cu, Ni) y para termistores NTC con coeficientes α20 entre 20. 103 y 60. 103.  Rt Resistencia a la temperatura de trabajo  o.  R20 Resistencia a 20°C.  α20 Variación  media de la resistencia a 20°C.