¿Qué son los termistores NTC?

NTC significa «Coeficiente de temperatura negativo». Los termistores NTC son resistencias con un coeficiente de temperatura negativo, lo que significa que la resistencia disminuye al aumentar la temperatura. Se utilizan principalmente como sensores de temperatura resistivos y dispositivos limitadores de corriente. El coeficiente de sensibilidad a la temperatura es unas cinco veces mayor que el de los sensores de temperatura de silicio (silistores) y unas diez veces mayor que el de los detectores de temperatura de resistencia (RTD). Los sensores NTC se utilizan normalmente en un rango de -55°C a 200°C.

La no linealidad de la relación entre la resistencia y la temperatura exhibida por las resistencias NTC planteaba un gran desafío cuando se utilizaban circuitos analógicos para medir con precisión la temperatura, pero el rápido desarrollo de los circuitos digitales resolvió ese problema permitiendo el cálculo de valores precisos mediante la interpolación de tablas de búsqueda o la resolución de ecuaciones que se aproximan a una curva NTC típica.

Definición de termistor NTC

Un termistor NTC es una resistencia térmicamente sensible cuya resistencia muestra una disminución grande, precisa y predecible a medida que la temperatura del núcleo de la resistencia aumenta en el rango de temperatura de funcionamiento.

Características de los termistores NTC

A diferencia de los RTD (detectores de temperatura por resistencia), que están hechos de metales, los termistores NTC están generalmente hechos de cerámica o polímeros. Los diferentes materiales utilizados dan lugar a diferentes respuestas de temperatura, así como a otras características.

Respuesta de temperatura

Aunque la mayoría de los termistores NTC son típicamente adecuados para su uso dentro de un rango de temperatura entre -55°C y 200°C, donde dan sus lecturas más precisas, hay familias especiales de termistores NTC que pueden utilizarse a temperaturas que se acercan al cero absoluto (-273,15°C), así como los diseñados específicamente para su uso por encima de 150°C.

La sensibilidad a la temperatura de un sensor NTC se expresa como «porcentaje de cambio por grado C. Dependiendo de los materiales utilizados y de las particularidades del proceso de producción, los valores típicos de las sensibilidades a la temperatura oscilan entre el -3% y el -6% por °C.

Curva característica de los NTC

Como puede verse en la figura, los termistores NTC tienen una pendiente resistencia-temperatura mucho más pronunciada en comparación con los RTD de aleación de platino, lo que se traduce en una mejor sensibilidad a la temperatura. Aun así, los RTD siguen siendo los sensores más precisos, siendo su exactitud de ±0,5% de la temperatura medida, y son útiles en el rango de temperaturas entre -200°C y 800°C, un rango mucho más amplio que el de los sensores de temperatura NTC.

Comparación con otros sensores de temperatura

En comparación con los RTD, los NTC tienen un tamaño más pequeño, una respuesta más rápida, una mayor resistencia a los golpes y a las vibraciones y un coste menor. Son ligeramente menos precisos que los RTD. Cuando se comparan con los termopares, la precisión que se obtiene de ambos es similar; sin embargo, los termopares pueden soportar temperaturas muy elevadas (del orden de 600°C) y se utilizan en este tipo de aplicaciones en lugar de los termistores NTC, donde a veces se les denomina pirómetros. Aun así, los termistores NTC proporcionan mayor sensibilidad, estabilidad y precisión que los termopares a temperaturas más bajas y se utilizan con menos circuitos adicionales y, por tanto, con un coste total menor. El coste se reduce adicionalmente al no necesitar circuitos de acondicionamiento de señal (amplificadores, traductores de nivel, etc.) que suelen ser necesarios cuando se trata de RTDs y que siempre son necesarios para los termopares.

Efecto de autocalentamiento

El efecto de autocalentamiento es un fenómeno que se produce siempre que hay una corriente que fluye a través del termistor NTC. Dado que el termistor es básicamente una resistencia, disipa energía en forma de calor cuando hay una corriente que fluye a través de él. Este calor se genera en el núcleo del termistor y afecta a la precisión de las mediciones. El grado en que esto ocurre depende de la cantidad de corriente que fluye, del entorno (si es un líquido o un gas, si hay algún flujo sobre el sensor NTC, etc.), del coeficiente de temperatura del termistor, del área total del termistor, etc. El hecho de que la resistencia del sensor NTC y, por tanto, la corriente que lo atraviesa, dependa del entorno, se utiliza a menudo en los detectores de presencia de líquidos, como los que se encuentran en los tanques de almacenamiento.

Capacidad calorífica

La capacidad calorífica representa la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura del termistor en 1°C y suele expresarse en mJ/°C. Conocer la capacidad calorífica precisa es de gran importancia cuando se utiliza un sensor de termistor NTC como dispositivo limitador de corriente de irrupción, ya que define la velocidad de respuesta del sensor de temperatura NTC.

Selección y cálculo de la curva

El cuidadoso proceso de selección debe tener en cuenta la Constante de Disipación del termistor, la Constante de Tiempo Térmico, el valor de la Resistencia, la curva Resistencia-Temperatura y las Tolerancias, por mencionar los factores más importantes.

Dado que la relación entre la resistencia y la temperatura (la curva R-T) es altamente no lineal, hay que utilizar ciertas aproximaciones en los diseños de sistemas prácticos.

Aproximación de primer orden

Una aproximación, y la más sencilla de utilizar, es la aproximación de primer orden que establece que:

Donde k es el coeficiente de temperatura negativo, ΔT es la diferencia de temperatura, y ΔR es el cambio de resistencia resultante del cambio de temperatura. Esta aproximación de primer orden sólo es válida para un rango de temperatura muy estrecho, y sólo puede utilizarse para aquellas temperaturas en las que k es casi constante a lo largo de todo el rango de temperatura.

Fórmula beta

Otra ecuación da resultados satisfactorios, siendo precisa hasta ±1°C en el rango de 0°C a +100°C. Depende de una única constante del material β que puede obtenerse mediante mediciones. La ecuación puede escribirse como:

Donde R(T) es la resistencia a la temperatura T en Kelvin, R(T0) es un punto de referencia a la temperatura T0. La fórmula Beta requiere una calibración en dos puntos, y no suele ser más precisa que ±5°C en todo el rango útil del termistor NTC.

Ecuación de Steinhart-Hart

La mejor aproximación conocida hasta la fecha es la fórmula de Steinhart-Hart, publicada en 1968:

Donde ln R es el logaritmo natural de la resistencia a la temperatura T en Kelvin, y A, B y C son coeficientes derivados de mediciones experimentales. Estos coeficientes suelen ser publicados por los proveedores de termistores como parte de la hoja de datos. La fórmula Steinhart-Hart suele tener una precisión de alrededor de ±0,15°C en el rango de -50°C a +150°C, que es suficiente para la mayoría de las aplicaciones. Si se requiere una precisión superior, el rango de temperatura debe reducirse y se puede conseguir una precisión superior a ±0,01°C en el rango de 0°C a +100°C.

Elegir la aproximación correcta

La elección de la fórmula utilizada para derivar la temperatura de la medición de la resistencia debe basarse en la potencia de cálculo disponible, así como en los requisitos reales de tolerancia. En algunas aplicaciones, una aproximación de primer orden es más que suficiente, mientras que en otras ni siquiera la ecuación de Steinhart-Hart cumple los requisitos, y hay que calibrar el termistor punto por punto, realizando un gran número de mediciones y creando una tabla de consulta.

Construcción y propiedades de los termistores NTC

Los materiales que suelen intervenir en la fabricación de las resistencias NTC son el platino, el níquel, el cobalto, el hierro y los óxidos de silicio, utilizados como elementos puros o como cerámicas y polímeros. Los termistores NTC pueden clasificarse en tres grupos, dependiendo del proceso de producción utilizado.

Termistores de cabeza

Estos termistores NTC se fabrican con hilos de plomo de aleación de platino directamente sinterizados en el cuerpo cerámico. Por lo general, ofrecen tiempos de respuesta rápidos, mejor estabilidad y permiten el funcionamiento a temperaturas más altas que los sensores NTC de disco y chip, sin embargo, son más frágiles. Es habitual sellarlos en vidrio, para protegerlos de daños mecánicos durante el montaje, y para mejorar su estabilidad de medición. Los tamaños típicos oscilan entre 0,075 y 5 mm de diámetro.

Termistores de disco y chip

Estos termistores NTC tienen contactos superficiales metalizados. Son más grandes, y como resultado tienen tiempos de reacción más lentos que las resistencias NTC tipo perla. Sin embargo, debido a su tamaño, tienen una constante de disipación más alta (potencia requerida para elevar su temperatura en 1°C) y como la potencia disipada por el termistor es proporcional al cuadrado de la corriente, pueden manejar corrientes más altas mucho mejor que los termistores tipo perla. Los termistores de disco se fabrican presionando una mezcla de polvos de óxido en una matriz redonda, que luego se sinteriza a altas temperaturas. Los chips suelen fabricarse mediante un proceso de fundición en cinta en el que se extiende una pasta de material en forma de película gruesa, se seca y se corta para darle forma. Los tamaños típicos oscilan entre 0,25 y 25 mm de diámetro.

Termistores NTC encapsulados en vidrio

Son sensores de temperatura NTC sellados en una burbuja de vidrio hermética. Están diseñados para su uso con temperaturas superiores a 150°C, o para el montaje en placa de circuito impreso, donde la robustez es un requisito. Encapsular un termistor en vidrio mejora la estabilidad del sensor, además de protegerlo del entorno. Se fabrican sellando herméticamente las resistencias NTC de tipo perla en un recipiente de vidrio. Los tamaños típicos oscilan entre 0,4 y 10 mm de diámetro.

Aplicaciones típicas

Los termistores NTC se utilizan en un amplio espectro de aplicaciones. Se utilizan para medir la temperatura, controlar la temperatura y para la compensación de la temperatura. También pueden utilizarse para detectar la ausencia o la presencia de un líquido, como dispositivos limitadores de corriente en circuitos de alimentación, para controlar la temperatura en aplicaciones de automoción y muchas más. Los sensores NTC pueden dividirse en tres grupos, dependiendo de la característica eléctrica explotada en una aplicación.

Característica resistencia-temperatura

Las aplicaciones basadas en la característica resistencia-tiempo incluyen la medición, el control y la compensación de la temperatura. También incluyen situaciones en las que se utiliza un termistor NTC para que la temperatura del sensor de temperatura NTC esté relacionada con algún otro fenómeno físico. Este grupo de aplicaciones requiere que el termistor opere en una condición de potencia cero, lo que significa que la corriente que lo atraviesa se mantiene lo más baja posible, para evitar el calentamiento de la sonda.

Característica corriente-tiempo

Las aplicaciones basadas en la característica corriente-tiempo son: retardo de tiempo, limitación de la corriente de irrupción, supresión de sobretensiones y muchas más. Estas características están relacionadas con la capacidad térmica y la constante de disipación del termistor NTC utilizado. El circuito suele basarse en el calentamiento del termistor NTC debido a la corriente que pasa por él. En un momento dado provocará algún tipo de cambio en el circuito, dependiendo de la aplicación en la que se utilice.

Característica tensión-corriente

Las aplicaciones basadas en la característica tensión-corriente de un termistor generalmente implican cambios en las condiciones ambientales o variaciones en el circuito que dan lugar a cambios en el punto de funcionamiento en una curva determinada del circuito. Dependiendo de la aplicación, puede utilizarse para la limitación de corriente, la compensación de temperatura o las mediciones de temperatura.

Símbolo de termistor NTC