Cómo sentir con precisión la temperatura usando termistores

La temperatura es la variable física más ampliamente medida, y el termistor es uno de los sensores más populares para medirla. Los termistores, una fusión de las palabras "térmico" y "resistencia", pueden estar hechos de muchos materiales diferentes. Su principio físico básico es sencillo: la resistencia varía con la temperatura en una relación algo predecible y repetible. Además, como el termistor se parece eléctricamente a una resistencia, puede parecer engañosamente simple de medir: una interfaz de circuito adecuada solo requiere una topología bastante sencilla.

Sin embargo, el uso de un termistor para medir la temperatura con coherencia y precisión implica una matriz de decisiones relacionadas con el accionamiento de la fuente de tensión o corriente, la calibración de uno o varios puntos, el rango y el intervalo, y las implicaciones de los diferentes materiales del termistor. Este artículo explorará y explicará los problemas de los termistores, las opciones de solución y las compensaciones. Los dispositivos de muestra de Murata Electronics se utilizarán para ayudar a explicar su principio de funcionamiento, las especificaciones de la muestra y su aplicación. El artículo también presentará y mostrará cómo una nueva familia de termistores de Texas Instruments aborda algunas deficiencias de los termistores.

Tantas opciones de medición

Los diseñadores tienen muchas opciones para los sensores de temperatura de contacto: termistores, detectores de temperatura por resistencia (RTD), fuentes de corriente de estado sólido y termopares. Cada uno de ellos tiene una combinación diferente de atributos a través de parámetros clave, incluyendo rango de temperatura, linealidad, precisión, sensibilidad, consumo de energía, circuitos externos, interfaces y costo (Tabla 1). No hay un sensor de temperatura "ideal", ya que cada uno aporta fortalezas y debilidades con relación a los otros a través de estos parámetros.

Tabla 1: Esta comparación de los cuatro tipos más comunes de sensores de temperatura de contacto muestra sus atributos relativos. Los termistores tienen la mejor sensibilidad, trabajan con la linealidad, pero normalmente requieren un circuito externo relativamente simple. (Fuente de la tabla: DigiKey)

Aunque el termistor tiene una linealidad algo inferior y a menudo necesita una calibración por unidad, es sin embargo un sensor de temperatura muy utilizado. Eléctricamente, parece una simple resistencia básica de dos terminales, y su resistencia medida es una función monótona de la temperatura detectada. Debido a su popularidad, está disponible en muchos grados y tipos de paquete, incluyendo cables y tecnología de montaje superficial (SMT).

Características y parámetros del termistor

Como con cualquier sensor, el termistor tiene algunos parámetros de primer nivel que los diseñadores deben considerar cuando seleccionan o usan uno. Algunos de ellos pueden parecer no intuitivos o estar en desacuerdo con las perspectivas de los sensores convencionales, pero pueden ser manejados con el debido cuidado de los detalles.

Los termistores vienen en dos tipos básicos (Figura 1). Una de ellas está hecha generalmente de una cerámica policristalina y tiene un coeficiente de temperatura negativo (NTC), cuya resistencia disminuye con la temperatura. El otro se llama termistor de coeficiente de temperatura positiva (PTC) y suele estar hecho de un material semiconductor. El PTC, como su nombre indica, tiene un coeficiente de temperatura positivo. Note que las curvas de los dispositivos PTC y NTC no son "imágenes espejo" complementarias. En cambio, cada uno tiene su propia curvatura.

Figura 1: Los termistores NTC y PTC tienen curvas opuestas y no complementarias de resistencia contra temperatura, y ambas son altamente no lineales. Note que la escala de la izquierda es la resistencia relativa, no la absoluta. (Fuente de la imagen: Ametherm, Inc.)

Una pregunta obvia es si se debe usar un termistor PTC o NTC en una aplicación dada. En algunos casos, la elección no importa tanto como la adecuación de las especificaciones del dispositivo individual a los requisitos de la aplicación. En general, el dispositivo NTC puede ser mejor para la medición de precisión. Por el contrario, los termistores PTC se utilizan generalmente para aplicaciones de limitación o conmutación de corriente debido a su rápido y distintivo aumento de resistencia, comenzando a una temperatura específica conocida como el punto de Curie. Sin embargo, una nueva clase de dispositivos PTC está expandiendo la aplicabilidad de los dispositivos PTC. Más sobre esto más tarde.

Hay otra situación en la que la elección entre los dispositivos PTC y NTC puede ser crítica. Si el termistor se utiliza directamente en una configuración analógica de retroalimentación de bucle cerrado para mantener un punto de ajuste variable, la pendiente del cambio de resistencia frente a la temperatura es crítica y es una función de la configuración del bucle de control.

Por ejemplo, si el termistor forma parte de un bucle utilizado para mantener un punto de ajuste de la temperatura mediante el control de la corriente a un elemento calefactor, su resistencia debería aumentar con el aumento de la temperatura para reducir el flujo de corriente al calefactor; por lo tanto, un termistor PTC es la elección adecuada. Por supuesto, si se prefiere un dispositivo NTC por otras razones, la pendiente aparente puede invertirse con un amplificador de operación configurado como amortiguador de inversión.

Nota histórica: El primer producto comercial de Hewlett-Packard, el clásico oscilador de audio modelo 200A, patentado en 1942, utilizaba el gran PTC de un filamento de bombilla incandescente en un bucle de retroalimentación negativa para estabilizar la amplitud de salida del amplificador. Aunque no era un termistor en el sentido formal, el filamento actuaba como uno, y la topología del circuito autocorrector era una gran innovación en ese momento.

Los principales parámetros de rendimiento del termistor incluyen:

• Resistencia nominal a 25 °C. Los termistores se clasifican inicialmente por su valor nominal a esa temperatura en las guías de selección de proveedores. Pueden fabricarse con muchos valores de resistencia diferentes a esa temperatura variando su composición específica. Los termistores están disponibles con valores nominales tan bajos como 10 ohmios (Ω) y tan altos como un megaohmio (MΩ). La mayoría de las aplicaciones utilizan termistores con una clasificación entre 100 Ω y diez kilohmios (kΩ) a 25 °C.

• La sensibilidad, que es una exposición más detallada del coeficiente de temperatura. Este parámetro no es una constante, sino que es una función de la temperatura en sí misma, así como de la composición del termistor. Definirlo en detalle es un factor clave en la hoja de datos. También es uno de los factores que hace que la selección y el uso efectivo de un termistor sea más difícil en contraste con otros sensores con valores de coeficiente de temperatura (tempco) constantes o casi constantes en todo su rango.

Un valor de sensibilidad bajo puede afectar la precisión de las mediciones de temperatura. En general, los termistores NTC tienen una sensibilidad muy alta a bajas temperaturas debido a su disminución exponencialmente no lineal de la resistencia. Sin embargo, a altas temperaturas, su sensibilidad disminuye drásticamente, lo que puede introducir lecturas incorrectas de la temperatura cuando se combina con una alta tolerancia a la resistencia. Sin embargo, la alta sensibilidad también puede dar lugar a un exceso de alcance y saturación del front-end analógico (AFE) y del convertidor analógico-digital (ADC) asociado, si el termistor está midiendo en un rango amplio. Por lo tanto, hay un equilibrio entre la sensibilidad y el alcance que debe manejarse.

El coeficiente de temperatura alfa (α, o A) se define como la pendiente de la curva de resistencia (R) frente a la temperatura en un punto determinado y se calcula mediante la Ecuación 1:

 Ecuación 1

Donde α se expresa en % por °C.

Sin embargo, el alfa en sí mismo no es constante, sino que es una función de dónde está el termistor en la curva. Para caracterizarlo mejor, la industria ha definido otro factor constante beta (β o B), llamado índice de sensibilidad o constante del material utilizado. Para obtener una aproximación aproximada de R en función de la temperatura en un subrango definido, se utiliza la Ecuación 2:

Ecuación 2

β se utiliza para desarrollar una curva más precisa de resistencia frente a la temperatura, y una especificación como "3380 25/50" indica una constante β de 3380 en un rango de temperatura de 25 °C a 50 °C.

• Otros parámetros incluyen la constante de tiempo térmico (TTC), que es el tiempo que tarda el valor del termistor en alcanzar el 63% de la diferencia entre las temperaturas antiguas y las nuevas. También está la constante de disipación térmica (TDC), relacionada con el inevitable autocalentamiento que resulta del paso de la corriente a través del termistor. TDC es la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura del termistor en 1 °C y se especifica en milivatios por ˚C (mW/°C). En general, la disipación de energía debe mantenerse lo más baja posible para evitar el autocalentamiento y los errores subsiguientes.

Por ejemplo, el NCP15XH103J03RC de Murata es un termistor SMT a escala de chip disponible en paquetes de 0805, 0603 y 0402, siendo el más pequeño de ellos de tan solo 1.0 × 0.5 milímetros (mm). El parámetro crítico β es el mismo valor para cada tamaño. Los parámetros primarios de este dispositivo de 10 kΩ/25 °C se resumen en la Tabla 2, que llama β en diferentes rangos; una tabla asociada también muestra esta información sobre la temperatura en la Figura 2.

Tabla 2: Las especificaciones más críticas al evaluar un termistor, como el NCP15XH103J03RC de Murata, incluyen su resistencia nominal a 25 °C, tolerancia y valores B a temperaturas clave. (Fuente de la tabla: Murata Electronics)

Figura 2: Este gráfico enlaza β (B), la temperatura y el factor R/R25 de -20 °C a +120 °C para el Murata NCP15XH103J03RC. (Fuente de la imagen: Murata Electronics)

Obsérvese que para los termistores, como para casi cualquier componente, independientemente de lo simple que parezca en un principio o de los pocos terminales que tenga, hay muchas otras especificaciones de nivel primario, secundario e incluso terciario que deben tenerse en cuenta. En el caso de los termistores, muchos de ellos están relacionados con las tolerancias iniciales de varias especificaciones, así como con los coeficientes de temperatura de esas especificaciones.

Conducir y detectar el termistor

Como es un sensor basado en la resistencia, conducir un termistor y detectar su resistencia es bastante sencillo en principio. A diferencia de los sensores de temperatura de fuente de voltaje como los termopares, el termistor necesita una modesta excitación de voltaje o corriente para medir su resistencia. El enfoque más simple es utilizar una fuente de voltaje básico y constante y un circuito divisor de voltaje (Figura 3). El voltaje de salida (V_TEMP) puede ser calculado usando la Ecuación 3:

Ecuación 3

Figura 3: Una simple fuente de tensión y una disposición de divisor de tensión de la resistencia es todo lo que se necesita en principio para medir la resistencia del termistor correspondiente a V_TEMP. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

En la práctica, por supuesto, suele ser mejor utilizar una topología ratiométrica o de puente para reducir al mínimo el efecto del suministro de energía y la variación de la resistencia al sesgo.

Un arreglo alternativo que se prefiere en muchos diseños cuando se mide la resistencia y los cambios en la resistencia es utilizar una fuente de corriente constante (Figura 4). Aquí, V_TEMP puede calcularse usando la Ecuación 4:

Ecuación 4

Figura 4: A menudo se utiliza una fuente de corriente en lugar de una fuente de voltaje y divisor debido a su mejor rendimiento y control de la lectura de voltaje. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Esto proporciona una linealidad superior y un mejor control sobre la sensibilidad del voltaje a través del termistor.

El siguiente tema se relaciona con el AFE, que procesa el voltaje detectado a través del termistor. En el caso de las aplicaciones de umbral y de conmutación, puede ser dirigido a través de un comparador para hacer la transición de una salida de alta a baja, o viceversa.

La situación es más complicada si se necesita el valor real de la temperatura, como suele ser el caso. Ahora, los temas de calibración y corrección para el comportamiento no lineal del termistor deben ser abordados. La salida del NTC y de la mayoría de los termistores PTC es algo predecible y altamente no lineal, y se caracteriza por una curva suministrada por el proveedor que define la relación resistencia-temperatura para un tipo de termistor dado.

Los diseñadores tienen varias opciones para transformar la lectura del voltaje, que representa la resistencia, en un valor de temperatura exacto:

• Los diseñadores pueden utilizar un conjunto escalonado de múltiples termistores, cada uno de los cuales cubre una pequeña zona del rango de temperatura total para crear una aproximación lineal por piezas. Además, al añadir una resistencia a cada termistor, la linealidad de cada termistor se mejora un poco, pero a un costo en términos de costo de los componentes, espacio de la placa, gestión de inventario y energía (Figura 5).

Figura 5: Ya sea que se utilice una fuente de voltaje o corriente para accionar el termistor, agregar una resistencia paralela mejorará su linealidad, pero con una penalización en la lista de materiales del componente y el uso de energía. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

• Pueden implementar una aproximación lineal por piezas en el software, donde el rango global se divide en muchos rangos más pequeños. El software puede entonces usar una simple ecuación lineal con los coeficientes apropiados para linealizar y corregir la lectura sobre cada segmento. Este enfoque requiere una cantidad moderada de recursos y tiempo de procesador, junto con necesidades moderadas de memoria.

• Pueden construir una tabla de búsqueda (LUT) que enumere la resistencia frente a la temperatura real. Esto utiliza un mínimo de recursos y tiempo de procesador, pero más memoria proporcional a la granularidad de la tabla de búsqueda. La interpolación puede reducir los requerimientos de memoria a un costo computacional modesto.

• Por último, el sistema puede utilizar una compleja ecuación de ajuste de la curva que utiliza una memoria mínima, pero considerables recursos de procesamiento.

Por ejemplo, la corrección de las lecturas de los termistores NTC puede hacerse utilizando la clásica ecuación de Steinhart-Hart, una ecuación de ajuste de la curva que representa con precisión la curva R-T del termistor, que se muestra en la Ecuación 5:

Ecuación 5

Donde T es la temperatura en Kelvin, R es el valor de resistencia calculado, A, B y C son los coeficientes calculados determinados por el diseñador o proporcionados por el proveedor del termistor; esto se llama "calibración de tres puntos" por razones obvias.

De lo anterior se desprende claramente que los diversos enfoques de corrección requieren un equilibrio entre el circuito y los componentes, la memoria necesaria y los recursos de procesamiento.

Eligiendo el rango de resistencia del termistor

La selección de un termistor con la resistencia óptima en el rango de temperatura de interés es uno de los retos al usar estos dispositivos. En cierto modo, es análogo a dimensionar una resistencia para la detección de corriente de la resistencia de derivación, pero en otros aspectos es bastante diferente.

El objetivo es seleccionar un dispositivo resistivo de tal manera que la caída de voltaje a través de él sea la máxima que el circuito pueda aceptar sin sobrecarga. Esto maximiza el rango dinámico, la resolución efectiva y la relación señal-ruido (SNR). Para la derivación de corriente con su resistencia fija, la relación corriente versus voltaje es obviamente lineal. Sin embargo, el uso de una resistencia de mayor valor para acomodar este intervalo también da lugar a un mayor autocalentamiento a un nivel de corriente determinado, lo que representa un desperdicio de energía y también induce un mayor autocalentamiento del sensor.

Aún así, esta analogía de resistor/termistor también tiene diferencias. En el caso de la derivación de detección de corriente, la resistencia es conocida mientras que la corriente es la desconocida. En el caso del termistor, la situación se invierte: se conoce la corriente de una fuente de corriente o el voltaje de una fuente de voltaje, pero la resistencia es la variable desconocida. Dado que la resistencia del termistor es una función no lineal, puede aumentar súbita y dramáticamente, haciendo que el voltaje a través de él también aumente, posiblemente más allá del valor aceptable. Esto es especialmente el caso de los termistores PTC cuando se acercan a su temperatura de punto de Curie. En resumen: la disposición del termistor no está tan claramente delimitada como el diseño de la resistencia de detección de corriente.

La tolerancia y la deriva de la sensibilidad también son factores. Los termistores tienen tolerancias relativamente grandes en comparación con los valores nominales de sus diversos parámetros, por lo que cualquier modelización debe incluir un análisis con especificaciones tanto de la media cuadrática de la raíz (rms) como del peor de los casos para asegurar que el rendimiento se mantenga dentro de las capacidades del circuito y los límites de error.

Un nuevo termistor PTC supera los problemas de larga data.

Los diseñadores tienen problemas conflictivos que sopesar cuando usan termistores. Por un lado, son baratos, tienen un circuito de interfaz simple y son pequeños; todos beneficiosos para la colocación y la respuesta. Por otro lado, sus problemas de calibración y precisión pueden ser un argumento en contra de su uso, ya que consumen un valioso esfuerzo de diseño y requieren recursos del procesador para lograr suficientes lecturas para la mayoría de los diseños. Dependiendo de la resistencia de la ejecución de los enfoques para resolver estas cuestiones, el error puede fácilmente ir de ±2 ˚C al doble de ese valor.

Este error es aceptable en una amplia gama de aplicaciones, pero también hay muchas aplicaciones en las que este error es inaceptable. Si se mira hacia atrás, los desafíos básicos del uso de termistores son su sensibilidad a la temperatura altamente no lineal, junto con las tolerancias inherentes y la deriva de las especificaciones. Esta combinación a menudo obliga a hacer concesiones y compromisos difíciles que se ven en el análisis de la modelización.

Una nueva familia de termistores PTC basados en silicio de Texas Instruments, caracterizados por el TMP6131DYAR, minimiza en gran medida muchas de estas preocupaciones. Expande la aplicabilidad de los termistores ya que ofrece linealidad y sensibilidad consistente a través de la temperatura (Figura 6).

Figura 6: El termistor PTC lineal TMP6131DYAR a base de silicio de Texas Instruments ofrece linealidad y sensibilidad consistente a través de la temperatura. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Este termistor de ±1%, 10 kΩ (a 25 °C) se ofrece en las opciones de paquete 0402 y 0603 con una masa térmica pequeña para una respuesta rápida, mientras que su funcionamiento de baja potencia minimiza el autocalentamiento, a pesar de su pequeño tamaño. El TMP6131DYAR está diseñado para el rango de -40 °C a +125 °C y por lo tanto cumple con la gran mayoría de las aplicaciones. También está disponible en un grado de dispositivo calificado para automóviles, lo que tiene sentido ya que todos los vehículos EV/HEV/ICE tienen un gran número de puntos de temperatura "ocultos" que deben ser detectados y monitoreados.

Además, estos termistores lineales de silicio tienen una tolerancia de resistencia mucho más estable como resultado de su composición material y su sensibilidad de resistencia constante. Por ejemplo, un termistor NTC típico tiene una tolerancia de resistencia mucho mayor al alejarse de 25 °C que lo que su hoja de datos indica a esa temperatura. En algunos casos, la tolerancia de la resistencia puede aumentar desde ±1% a 25 °C hasta tanto como ±4%, o más, a -40 °C y 150 °C.

Por el contrario, estos termistores lineales de silicio tienen valores de sensibilidad mucho más consistentes, permitiendo mediciones estables en todo el rango de temperaturas. Esta característica se muestra en la curva R-T bastante lineal del TMP6131DYAR en la Figura 7.

Figura 7: En contraste con otros termistores PTC, el TMP6131DYAR tiene una curva de temperatura casi lineal frente a la de resistencia. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Un beneficio añadido de este comportamiento más lineal es que la complejidad de la ecuación de Steinhart-Hart no es necesaria para la calibración adicional de estos termistores basados en el silicio para lograr un mejor rendimiento. En su lugar, la calibración puede realizarse utilizando una fórmula de regresión polinómica de cuarto orden mucho más sencilla (Ecuación 6), que presenta una carga de procesamiento muy reducida.

Ecuación 6

Donde T es la temperatura en Celsius, R es el valor de resistencia calculado, y A (0-4) son los coeficientes polinómicos proporcionados.

Los atributos relativos de los termistores NTC tradicionales comparados con estos dispositivos PTC basados en el silicio se muestran en la Tabla 3.

Tabla 3: Los atributos comparativos de los termistores PTC basados en silicio de TI muestran claras ventajas sobre los termistores NTC convencionales. (Fuente de la tabla: Texas Instruments)

Ponerse en marcha en el TMP6131DYAR

Los termistores son relativamente fáciles de conectar en un circuito, pero aún así requieren una evaluación para ajustar su rendimiento a los objetivos de la aplicación. Para acelerar el proceso, Texas Instruments ofrece el TMP6EVM, un módulo de evaluación de prototipos (EVM) para el TTMP6131DYAR (Figura 8). En la guía detallada del usuario se describen las características, el funcionamiento y el uso de la placa de evaluación, que también incluye una pantalla LCD multilínea, de modo que pueda presentar fácilmente mensajes al usuario durante los modos de configuración y evaluación.

Figura 8: El módulo de evaluación TMP6EVM para termistores como el TMP6131DYAR facilita su adopción para su uso en una aplicación de destino específica. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El diagrama de bloques del EVM da una visión más clara de lo que proporciona en la Figura 9.

Figura 9: Un diagrama de bloques del módulo de evaluación del TMP6EVM muestra su diseño autónomo, incluyendo una pantalla LCD para interactuar con el dispositivo. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Además de la tabla de evaluación, TI también tiene una herramienta descargable Thermistor Design Tool que ofrece un completo cálculo de la tabla de resistencia frente a la temperatura (tabla R-T), otros métodos útiles para derivar la temperatura y un ejemplo de código C.

Conclusión

Los termistores son sensores muy utilizados, fáciles de conectar y versátiles para medir la temperatura. Sin embargo, sus inherentes no linealidades, tolerancias y desviaciones significan que los diseñadores deben estudiar cuidadosamente sus hojas de datos, determinar rangos viables, modelar su rendimiento y límites de error, e implementar un esquema de calibración.

Sin embargo, dispositivos como el TMP6131DYAR de Texas Instruments proporcionan una solución de PTC basada en silicio para el rango ampliamente utilizado de -40 °C a +125 °C y lo hacen con suficiente linealidad y estrecha tolerancia. De esta manera, minimizan muchos de los desafíos asociados con la selección y el despliegue de termistores convencionales NTC o PTC.

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Referencias:

1. Texas Instruments, "Sensores de temperatura con termistores"
2. Texas Instruments, "Mejorar la precisión de la medición de la temperatura en los sistemas de monitorización de baterías"
3. Ametherm, Inc., "NTC Termistor Beta"
4. Ametherm, Inc., "El secreto del éxito de los cálculos de la beta del termistor"
5. AVX/Kyocera, "TPCNTC/PTC Termistores"
6. TDK, "NTC Termistores: Información técnica general"
7. Bureau International des Poids et Mesures, "Guía de Termometría Secundaria: Termometría de Termistores"