Elementos NTC como sensores de temperatura de uso universal

Medición del calor

En función de la aplicación, los sensores de temperatura deben satisfacer requisitos muy diversos, por ejemplo, en lo relativo a la precisión de medición, la resistencia a la temperatura y el tamaño. En el caso de las técnicas de medición por contacto, a menudo es posible sustituir costosos sensores especiales por NTC más económicos.

Elemento NTC SMD

La medición de temperatura es una de las disciplinas más importantes de la tecnología sensorial. Fundamentalmente se diferencia entre técnicas de medición sin contacto y por contacto. Este artículo aborda exclusivamente la medición de temperatura por contacto en la que el elemento sensorial está en contacto térmico con el objeto de medición. Los elementos sensoriales más importantes son las resistencias dependientes de la temperatura que se dividen en los grupos NTC (coeficiente de temperatura negativo por sus siglas en inglés) y PTC (coeficiente de temperatura positivo por sus siglas en inglés, basado en silicio, titanato de bario o platino puro). Los NTC conducen la corriente eléctrica mejor a altas temperaturas que a bajas, mientras que los PTC presentan el comportamiento contrario. En contraposición a los NTC, los PTC muestran por lo general una curva característica R-T lineal. Sin embargo, las ventajas que brindan los NTC son la posibilidad de adaptar de un modo variable los parámetros eléctricos y su precio reducido. Los NTC se caracterizan por unos pocos parámetros: en una primera aproximación, la resistencia de un NTC se comporta como una función exponencial: R(T) = R25 exp [B (1/T – 1/T25)] (1) siendo T25 = 298,15 K, T: temperatura en K. R25 indica el valor de la resistencia a la temperatura de referencia de 25 °C. El denominado valor B (en K) describe el comportamiento entre resistencia y temperatura y determina la forma de la curva de la función exponencial: B = T x T25/T25-T en R/R25 (2) Para la mayoría de aplicaciones, la ecuación 1 aporta una descripción matemática adecuadamente buena del comportamiento de la resistencia en función de la temperatura. En caso de exigirse una alta precisión en un rango de temperatura amplio, en los exponentes de la ecuación pueden considerarse potencias mayores de la temperatura con un coeficiente respectivo B1, B2, B3, etc. Se trata de la denominada ecuación de Steinhart-Hart con los coeficientes de Steinhart-Hart Bi. En caso necesario, estos coeficientes pueden consultarse a los fabricantes. La corriente necesaria para medir la resistencia y, con ella, la temperatura debe seleccionarse lo más baja posible con el fin de mantener lo más reducido posible el inexorable autocalentamiento del NTC. En las hojas de datos se cita a este respecto el denominado factor de disipación que indica la potencia eléctrica que calienta el termistor 1°C frente a la temperatura ambiente. En la práctica resulta recomendable mantenerse claramente por debajo de esta potencia. Finalmente, en un NTC debe observarse el tiempo que este precisa para adoptar el nuevo valor de resistencia tras un aumento de la temperatura. Por lo general, como constante de tiempo ô se indica el tiempo tras el cual la resistencia ha alcanzado el 63,2 por ciento del valor final.

Película gruesa bajo cristal

En especial en aplicaciones que requieren una elevada precisión, la estabilidad a largo plazo del sensor constituye un factor de importancia puesto que ¿de qué serviría una tolerancia inicialmente baja y, con ello, un error de medición mínimo si el valor de resistencia se desvía con el tiempo? La causa principal de la desviación en los componentes cerámicos es la humedad que penetra en el componente. Este hecho puede prevenirse con una pasivación de cristal envolvente. Los termistores SMD de película gruesa del fabricante Tateyama se construyen sobre un sustrato cerámico (96 por ciento de Al2O3), y la película gruesa está protegida contra la humedad con una capa de cristal (Fig. 1). De este modo se logran también una resistencia mecánica y una fiabilidad muy elevadas. La ventaja de estos sensores de película gruesa reside en la adaptación variable de R25 – (100 Ω hasta 2 M Ω) y los valores B (2.700 hasta 5.00 K), así como en las correspondientes tolerancias (±1 hasta ±10 por ciento) que permite la tecnología de fabricación patentada de Tateyama. Todos estos termistores SMD están certificados según la norma TS16949/AEC-Q y disponibles en los formatos 0805 hasta 0201. Debido al nivel de precio y a la estabilidad a largo plazo, estos termistores se utilizan en aplicaciones como sistemas de climatización, distribuidores de costes de calefacción, electrodomésticos o herramientas eléctricas. La tecnología de película gruesa puede emplearse a temperaturas de hasta 150 °C. Cuanto menor sea el formato, menor será la masa térmica y, con ello, la constante de tiempo ô. Por este motivo, en aplicaciones en las que la temperatura varía rápidamente, deberían utilizarse a ser posible formatos pequeños, preferiblemente el formato 0201. Las series NTC del fabricante Semitec no se basan en la tecnología de película gruesa, sino en la tecnología de semiconductores cerámicos (Fig.2). Se caracterizan por una baja tolerancia (±1 por ciento en B y R25). El sensor con la mínima tolerancia corresponde a la serie “AP” (±0,5 por ciento en B y R25), que en un rango de temperaturas de -50 a +70 °C permite mediciones de temperatura con una precisión superior a 0,5 K, sin necesidad de calibrar el sistema. Los NTC con “película de Kapton” ultraplana con un grosor de tan solo 0,5 mm se emplean principalmente en baterías. La serie “KT” corresponde al termistor SMD de Semitec. A pesar de su bajo precio, el KT presenta una excelente estabilidad a largo plazo lo que se debe a la pasivación de cristal de las cuatro superficies del chip cerámico expuestas al aire. Esto constituye un criterio fundamental en los actuales distribuidores electrónicos de costes de calefacción, que deben medir con fiabilidad durante un período de diez años sin necesidad de recalibrarse. El uso de la serie “AT-4” está muy extendido en las máquinas-herramienta. Aquí se emplea en especial el modelo de 6,8 Ω para la supervisión de la temperatura del control electrónico o de la batería durante la fase de carga.

Máxima precisión con nanopartículas

Los sensores de temperatura de los fabricantes EXA-Thermometrics y Tewa completan la oferta de productos con sensores confeccionados. Gracias al desarrollo y a la fabricación propios de los chips NTC es posible una gran selección de valores R25 y B en función de las exigencias de la aplicación. Esto se logra mediante la mezcla de nanopartículas adecuadas antes del proceso de sinterización. Durante el proceso de corte y rectificación (dicing), las obleas se separan en chips (dies) y se calibran para el posterior proceso de producción. La precisión aquí alcanzada es superior a ±0,05 por ciento. De este modo, la precisión de estos sensores se produce conscientemente, y no solo se logra con ayuda de un proceso de selección. Estos chips conforman por lo general el producto base para los sensores confeccionados. En determinados casos, como chips de sensor también se utilizan chips NTC en forma de disco o envueltos en cristal, así como elementos Pt (Pt100 – Pt1000). Estos chips se ensamblan con cables especiales (PVC, teflón, Kynar, sin halógenos, aptos para productos alimenticios, con certificación UL, etc.) y con conexiones enchufables específicas de la aplicación. Los sensores para el uso en frigoríficos y congeladores cuentan con un doble aislamiento con una composición especial de materiales aislantes. De este modo se garantiza el índice de protección IP68, y el sensor es apto para productos alimenticios. Asimismo es posible realizar otras variantes de sensores con carcasas de acero inoxidable, cobre, latón o plástico conforme a las especificaciones del cliente (Fig. 3). El límite superior de la temperatura de servicio de estos sensores confeccionados puede ser de hasta 500 °C aproximadamente.

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