TERMISTOR: Básicamente, es un semiconductor que tiene una resistencia eléctrica que varía con la temperatura.

Un termistor es un resistor sensible a la temperatura cuya resistencia varía en función de esta. Los termistores se clasifican principalmente en dos tipos: NTC (Coeficiente de Temperatura Negativo) y PTC (Coeficiente de Temperatura Positivo), según la relación entre su resistencia y la temperatura.

Termistores NTC
Los termistores NTC presentan una disminución de la resistencia a medida que aumenta la temperatura. Este comportamiento es característico de su coeficiente de temperatura negativo. Están fabricados con materiales semiconductores como óxido férrico o níquel tratado con dopantes que mejoran su conductividad. A medida que la temperatura aumenta, el número de portadores de carga incrementa, lo que reduce la resistencia. Estos termistores son ampliamente utilizados en aplicaciones que requieren la medición de temperatura dentro de un rango de -50°C a +150°C, como electrodomésticos, sistemas automotrices y equipos industriales.
Propiedades y usos clave

1. Sensibilidad: Los termistores NTC son muy sensibles a los cambios de temperatura, lo que los hace ideales para un monitoreo preciso.
2. Aplicaciones: Se emplean en sistemas de aire acondicionado, refrigeradores, dispositivos médicos y controles climáticos automotrices. En los vehículos, se pueden usar hasta 20 termistores para medir parámetros como la temperatura del motor y del aire del habitáculo.
3. Encapsulación: Los termistores NTC se presentan en diversas formas, como perlas de vidrio, chips de montaje superficial o discos de cerámica, según la aplicación.

Relación resistencia-temperatura
La resistencia de un termistor NTC disminuye exponencialmente con el aumento de la temperatura, lo que suele describirse mediante un modelo matemático que incluye constantes específicas del termistor. Aunque la respuesta es no lineal, circuitos como divisores de voltaje o puentes de Wheatstone pueden usarse para el monitoreo de temperatura. Estas configuraciones convierten los cambios de resistencia en variaciones de voltaje, lo que permite la integración con microcontroladores u otros sistemas.

Termistores PTC
Los termistores PTC muestran un aumento de la resistencia con el incremento de la temperatura, evidenciando un coeficiente de temperatura positivo. Son utilizados principalmente en aplicaciones de protección contra sobrecorriente y sobretemperatura debido a su transición brusca de resistencia al alcanzar una temperatura umbral. Los termistores PTC suelen estar fabricados con materiales policristalinos como el titanato de bario.
Variantes y aplicaciones

1. Termistores PTC lineales (Silistors): Ofrecen una relación resistencia-temperatura casi lineal y se utilizan para la detección de temperatura en aplicaciones automotrices.
2. Termistores PTC no lineales: Se emplean en aplicaciones como la protección contra sobrecorriente y la limitación de corriente de irrupción. Estos dispositivos protegen los circuitos al aumentar bruscamente la resistencia cuando se excede un umbral de temperatura o corriente.

Protección contra sobrecorriente
Los termistores PTC en esta aplicación funcionan como fusibles reiniciables. Cuando fluye una corriente excesiva, el calentamiento interno incrementa la resistencia, reduciendo el flujo de corriente. Una vez resuelta la condición de falla, el termistor regresa a su estado original, a diferencia de los fusibles tradicionales que deben reemplazarse.

Protección contra sobretemperatura
Los termistores PTC pueden detectar calor ambiental o interno, activando circuitos de protección para apagar o alertar sobre un sobrecalentamiento. Esta característica es ampliamente utilizada en electrónica industrial y cargadores de baterías.

Especificaciones y parámetros clave

1. Resistencia de referencia (R25): Resistencia a una temperatura estándar, típicamente 25°C. Los valores de los termistores en las hojas de datos se especifican usando esta referencia.
2. Coeficiente de temperatura (TC): Indica el cambio porcentual de resistencia por grado Celsius. En los termistores NTC, este valor es negativo y se expresa comúnmente en ppm (partes por millón).
3. Constante de disipación (DC): Representa la capacidad de disipación térmica por grado Celsius, crucial para aplicaciones que implican autocalentamiento.

Problemas comunes y consideraciones

1. Autocalentamiento: Un termistor que conduce corriente puede calentarse, lo que podría alterar las mediciones de temperatura. Reducir la corriente de excitación es esencial para obtener lecturas precisas.
2. Disipación de calor: En aplicaciones de limitación de corriente de irrupción, la generación continua de calor puede afectar a los componentes cercanos. Es importante un espaciado adecuado.
3. Factores ambientales: Las temperaturas extremas pueden afectar el rendimiento. Por ejemplo, en ambientes muy fríos, un termistor NTC puede no calentarse lo suficiente para reducir la resistencia, mientras que en entornos cálidos, podría no enfriarse lo suficiente para proporcionar protección.

Resumen
Los termistores son componentes versátiles y esenciales para aplicaciones de detección de temperatura y protección. Los termistores NTC destacan por su alta sensibilidad en el monitoreo preciso de temperatura, mientras que los PTC ofrecen una protección robusta en escenarios de alta corriente o alta temperatura. Su funcionalidad depende en gran medida del entorno de aplicación y de los parámetros eléctricos, siendo fundamental una correcta integración en el circuito para garantizar un rendimiento óptimo.

Termocupla, termopar: Dispositivo que genera electricidad usando el principio del efecto Seebeck.

Termopares: Definición y Principios
Un termopar es un sensor de temperatura que utiliza dos hilos hechos de metales diferentes, unidos en un extremo. La diferencia en las propiedades termoeléctricas de los metales genera un pequeño voltaje en los extremos libres, el cual es proporcional a la temperatura del punto de unión. Este principio se basa en el efecto Seebeck, que describe cómo una diferencia de temperatura a lo largo de un material genera una fuerza electromotriz.

Fig. 1- (a) Un circuito de termocupla, (b) termocuplas conectados para formar una termopila y (c) enfocando los rayos EM en una termopila.

Características Principales

1. Sin fuente de alimentación externa: Un termopar no necesita una fuente de energía externa, pero el voltaje generado es extremadamente pequeño, generalmente en microvoltios. Esto requiere circuitos especializados para convertir el voltaje en una lectura de temperatura.
2. Amplia gama de tipos: Existen diferentes tipos de termopares, diseñados para medir diferentes rangos de temperatura. Cada tipo tiene características específicas que requieren una conversión adecuada para obtener lecturas precisas.
3. Diseño simple y robusto: En su forma más básica, un termopar consiste en dos hilos soldados en un extremo. Sin embargo, en aplicaciones comerciales, generalmente están encapsulados en sondas para protección y facilidad de uso.

Aplicaciones de los Termopares
Los termopares tienen el rango más amplio entre los sensores de temperatura por contacto, siendo capaces de medir temperaturas desde -200 °C hasta más de 1800 °C, dependiendo del tipo. Son comunes en laboratorios, procesos industriales como hornos de alta temperatura y motores de combustión interna. Además, se utilizan para medir temperaturas criogénicas y monitorear fluctuaciones rápidas debido a su baja inercia térmica.

Cómo Funcionan
Cuando un extremo de un material conductor está a una temperatura diferente del otro extremo, se genera un gradiente térmico que produce una diferencia de potencial eléctrico entre los extremos. Este efecto es aprovechado en un termopar con dos materiales diferentes, donde cada material tiene su propio coeficiente de Seebeck. La diferencia en estos coeficientes, junto con el gradiente térmico, determina el voltaje medido.
Tipos de Termopares

1. Tipo K: Hecho de aleaciones de níquel-cromo y níquel-aluminio, es el más popular por su amplio rango de temperatura (-250 a +1350 °C).
2. Tipo J: Utiliza hierro y una aleación de cobre-níquel, adecuado para rangos entre -200 y +1200 °C.
3. Tipo T: Recomendado para aplicaciones criogénicas, hecho de cobre y una aleación de cobre-níquel, con un rango de -250 a +400 °C.
4. Tipo E: Ofrece alta sensibilidad, hecho de níquel-cromo y una aleación de cobre-níquel, con un rango de -250 a +1000 °C.
5. Tipos R y S: Adecuados para temperaturas extremadamente altas, hechos de platino y aleaciones de platino-rodio, con rangos de -50 a +1750 °C.

Conversión de Salidas
Los voltajes generados por los termopares son no lineales y requieren circuitos de acondicionamiento de señal para traducirlos en temperaturas precisas. Chips especializados, como el MAX31855K, pueden amplificar y digitalizar la salida, facilitando la integración con microcontroladores.

Problemas Comunes

1. Ruido eléctrico: Los hilos del termopar son vulnerables a interferencias eléctricas, lo que puede afectar la precisión de la medición. Para mitigar esto, se deben usar cables trenzados o blindados.
2. Fatiga del metal y oxidación: Algunos metales utilizados en termopares son frágiles y susceptibles a la oxidación, lo que puede acortar su vida útil.
3. Polaridad incorrecta: Si los hilos están conectados al revés, la lectura será incorrecta.
4. Daño por calor: La fabricación de termopares mediante soldadura debe realizarse con cuidado para evitar daños en los materiales.

Consideraciones de Diseño

1. Junta de referencia: Es crucial que la junta de referencia esté a una temperatura conocida o que se compense térmicamente mediante un sensor adicional.
2. Extensión de cables: Si se necesita ampliar la longitud de los cables, deben usarse materiales idénticos a los del termopar para evitar errores en la medición.
3. Aislamiento adecuado: Especialmente en temperaturas altas, el aislamiento debe resistir las condiciones extremas sin degradarse.

Termopilas
Una termopila es una configuración de múltiples termopares conectados en serie para aumentar el voltaje generado. Esto es útil en dispositivos como termómetros infrarrojos y sistemas de seguridad para cortar el suministro de gas en caso de fallas.
Ventajas

• Amplio rango de temperatura.
• Respuesta rápida.
• No consumen energía.

Limitaciones

• Baja sensibilidad comparada con otros sensores.
• Salida no lineal.
• Vulnerabilidad al ruido y otros factores ambientales.

En resumen, los termopares son sensores versátiles y confiables para aplicaciones industriales y científicas, pero requieren cuidado en su diseño e instalación para garantizar un desempeño óptimo.