Sensor de temperatura.

Unión PN como Sensor de Temperatura. Concepto de la unión PN.

La unión PN es un componente básico de los dispositivos semiconductores, formada por una región tipo P (positiva) y una región tipo N (negativa). Entre ellas existe una zona de depleción, donde se acumulan cargas opuestas que crean una barrera de potencial. Este comportamiento permite que la unión se convierta en un diodo, es decir, un componente que conduce corriente en una sola dirección.

Cuando se aplica una tensión directa, la barrera de potencial disminuye, permitiendo el paso de corriente. Por el contrario, una tensión inversa aumenta la anchura de la zona de depleción, bloqueando el paso de corriente. La relación entre corriente y voltaje es exponencial, y no lineal como en una resistencia, por lo que no puede aplicarse la ley de Ohm directamente.

Uno de los efectos más útiles de la unión PN es su dependencia de la temperatura: al aplicar una corriente constante a través de un diodo, su caída de tensión disminuye aproximadamente 2 mV/°C a medida que aumenta la temperatura. Esta característica lo convierte en un sensor de temperatura simple, lineal y de bajo costo.

Ejemplo práctico: Si el voltaje en un diodo disminuye de 0.7 V a 0.68 V, la temperatura aumentó aproximadamente 10 °C.

Circuitos típicos con diodos sensores

Figura 1 - Generador de corriente constante con transistor PNP

Este circuito utiliza un diodo Zener de 5.1 V y un transistor PNP para establecer una corriente constante a través del diodo sensor, cuya caída de tensión puede ser medida por un voltímetro digital.

Una versión más simple: un FET controla la corriente constante a través del diodo sensor. Es eficiente y se adapta bien a encapsulados pequeños.

Figura 3 - Termostato electrónico con dos diodos

Figura 4. Un sensor de temperatura cuya salida consiste en corriente que varía con la temperatura puede representarse en un esquema como una fuente de corriente, utilizando este símbolo.

Fig. 5 - Sensores de temperatura semiconductores

Dos diodos se conectan en serie como sensor. El circuito incluye un amplificador operacional que controla un relé de estado sólido para activar o desactivar un elemento calefactor según la temperatura detectada.

Sensores de temperatura de semiconductores

Fig. 6 - Izquierda, un circuito básico para demostrar la sensibilidad a la temperatura de un diodo. Derecha, se puede sustituir un transistor NPN para emular el diodo.

Los sensores de temperatura basados en semiconductores son circuitos integrados (ICs) que utilizan las características de la unión PN para ofrecer una salida analógica o digital proporcional a la temperatura.

También se conocen como:

• Sensores de diodo

• Sensores de temperatura de banda prohibida

• Sensores IC

• Sensores integrados de silicio

Estos sensores pueden tener salida de voltaje (mV/°C), corriente (µA/°K) o digital, y algunos modelos incluyen amplificación, linealización y conversión A/D integrada.

Fig. Esta versión del LM35 se puede utilizar para medir la temperatura de la superficie cuando se fija con un tornillo. La cuadrícula de fondo está en milímetros.

Fig. : Una muestra del sensor de temperatura LM335 en un encapsulado TO-92. La cuadrícula de fondo está en milímetros.

• Salida: 10 mV/°C (LM35), 10 mV/°F (LM34)

• Rango: -55 °C a +150 °C

• Precisión: ±0.25 °C (típica)

• Encapsulado: TO-92, TO-220, montaje superficial

LM135 / LM235 / LM335

Fig. : Esquema básico para usar un LM135, incluyendo el ajuste de la salida. Dado que el elemento sensor se comporta como un diodo zener, se representa con el símbolo del zener.

• Salida proporcional a la temperatura absoluta (°K)

• Calibración ajustable

• Rango: -55 °C a +150 °C

• Precisión: hasta ±1 °C

• Figura: Sensor LM335

LM234-3

Fig. Usando un sensor LM243-3 con una salida de corriente que varía con la temperatura.

• Salida de corriente: 214 µV/°K a través de resistencia externa

• Ideal para detección remota

• Funciona entre 1 V y 40 V

• Salida: 1 µA/°K

• Dos terminales, muy simple

• Alta precisión con mínima sensibilidad a tensión de alimentación

• Salida digital con protocolo 1-Wire

• Precisión: ±0.5 °C

• Identificación individual por código único

• Permite conectar varios sensores en un solo bus

• Muy bajo consumo

• Voltaje de operación desde 2.2 V

• Coeficiente negativo: salida disminuye 10 mV/°K

• Adecuados para dispositivos portátiles

• Salida casi lineal

• Fáciles de usar e integrar con microcontroladores

• Algunos ya calibrados de fábrica

• Pueden incluir funciones adicionales (amplificación, A/D)

1. Rango limitado: Generalmente entre -50 °C y +150 °C.

2. Interferencias: Especialmente en líneas largas de señal analógica.

3. Latencia: Por encapsulado o masa térmica.

4. Auto-calentamiento: Puede alterar la lectura si no se minimiza la corriente.

5. Errores de calibración: Necesaria para precisión crítica.

6. Compatibilidad: Diferencias entre salida en grados °C, °K o °F.

7. Procesamiento lento: En sensores con conversión A/D interna.

8. Deriva a largo plazo: Puede requerir recalibración.

9. Ubicación del sensor: Afecta directamente la precisión.

10. Errores de conexión: Sueltos o mal conectados generan lecturas erróneas.

Términos destacados :

Los sensores de temperatura de semiconductores son una solución eficiente, precisa y versátil para aplicaciones industriales, electrónicas, automotrices y de consumo. Comprender su principio de funcionamiento, circuitos asociados y limitaciones es clave para aprovechar al máximo sus capacidades.