Selección de termistores de película gruesa para la detección de temperatura de respuesta rápida en entornos hostiles

Uno de los principales retos para los diseñadores de sistemas que van desde automotrices hasta controles industriales y dispositivos médicos es monitorizar y controlar las temperaturas de los componentes. Cada componente dispone de un área de operación segura y debe operar dentro de esos límites de temperatura para evitar fallos.

Por ejemplo, consideremos la necesidad de monitorizar la temperatura de la batería en un vehículo eléctrico (VE). Los sensores de temperatura deben ser sensibles, precisos, fiables y reactivos. Al mismo tiempo, cuando se requieren múltiples sensores, se debe reducir el costo. El termistor es una opción muy adecuada para esta aplicación.

Repasemos los conceptos básicos de los termistores y presentemos algunos ejemplos con atributos únicos de la serie TNC de Stackpole Electronics.

¿Qué es un termistor?

Un termistor (resistencia térmica) es una resistencia semiconductora cuya resistencia varía con la temperatura. Normalmente construido con materiales de metal óxido-semiconductor, proporciona cambios grandes, precisos y predecibles en la resistencia con la temperatura.

Los termistores están disponibles con un coeficiente de temperatura (PTC) positivo de resistencia, en el que la resistencia aumenta con la temperatura, o con un coeficiente de temperatura negativo (NTC), en el que la resistencia disminuye con la temperatura.

Los termistores se utilizan como sensores de temperatura o limitadores de corriente de salida. Están disponibles en varios encapsulados físicos, incluyendo varillas, discos, cuentas, arandelas y dispositivos de montaje superficial (SMD). Son fáciles de usar, resistentes, fiables, precisos, sensibles y económicos. Como resultado de estas características, se utilizan termistores donde se necesiten mediciones de temperatura puntual única, como en vehículos, electrodomésticos, hornos y equipos industriales.

La resistencia de los termistores NTC varía exponencialmente con la temperatura, con una pendiente negativa (Figura 1).

Figura 1[SR1.1]: Los termistores NTC tienen una resistencia con una respuesta exponencial que disminuye (de 10 kΩ a 1 kΩ) con el aumento de temperatura (25°C (temperatura ambiente) a 100°C). (Fuente de la imagen: Art Pini)

La curva de respuesta de un termistor de 10 kilohms (kΩ), debido a su naturaleza exponencial, muestra un amplio rango de valores de resistencia (de 150 Ω a 250 kΩ) a lo largo de su rango de temperatura de funcionamiento. Esto proporciona una alta sensibilidad a los cambios de resistencia con los cambios de temperatura. La resistencia nominal se indica a temperatura ambiente de laboratorio, 25°C.

Los fabricantes especifican otra característica del termistor llamada beta (B). B es una constante dependiente del material que describe la pendiente de la curva resistencia/temperatura. El valor B es el descriptor principal en un modelo simplificado de las características del termistor en un rango de temperaturas. En este ejemplo, B, definido entre 25 y 100°C (B25/B100), proporciona los valores de resistencia para el termistor dado. Dado el valor B y la resistencia (R0) a una temperatura conocida (T0), es posible determinar la resistencia (R1) a una segunda temperatura (T1) usando la ecuación:

R1 = R0 exp (B (1/T1) - (1/T0))

Dónde:

La temperatura (T1, T0) se expresa en kelvin (K)

La resistencia (R1, R0) se expresa en Ω

Aplicación de termistores

Los termistores, al igual que las resistencias, son dispositivos pasivos. Para funcionar, requieren una fuente de alimentación, que puede ser alimentada tanto por una corriente como por una fuente de tensión (Figura 2).

Figura 2[SR2.1]: Los termistores requieren energía de una fuente de corriente o de una fuente de tensión estable. (Fuente de la imagen: Art Pini)

La resistencia en serie con el termistor escala el voltaje del termistor para asegurar que se mantenga dentro del rango máximo de entrada del dispositivo. En la configuración basada en voltaje, permite monitorizar la corriente a través del termistor. En cualquier caso, estas resistencias deben ser componentes de baja tolerancia y alta precisión.

La selección de la corriente o voltaje de transmisión y la resistencia en serie debe garantizar que el termistor no se autocaliente por la potencia aplicada. El autocalentamiento del termistor ocurre cuando la corriente a través del termistor eleva su temperatura por encima del ambiente, resultando en una lectura de temperatura falsa. Los termistores de la serie TNC tienen una constante de disipación inferior a 1,5 milivatios por grado centígrado (mW/°C) en aire. La constante de disipación se utiliza para determinar la corriente máxima a través del dispositivo que mantiene el autocalentamiento dentro de la tolerancia de temperatura deseada para cualquier aplicación.

Un circuito de monitorización de temperatura basado en termistor incluiría un convertidor analógico-digital (ADC) para digitalizar el voltaje del termistor (VTH) (Figura 3).

Figura 3[SR3.1]: Se muestra un monitor de temperatura basado en un termistor. (Fuente de la imagen: Art Pini)

En este ejemplo, el termistor es impulsado por la tensión de referencia de banda prohibida del ADC. V_TH es la entrada diferencial del ADC. El filtro resistencia-capacitor diferencial de paso bajo minimiza el ruido y las interferencias.

Recuerde que el voltaje del termistor es una función no lineal de la temperatura medida. El microcontrolador decodifica la temperatura a partir del voltaje medido.

Termistores NTC robustos y de respuesta rápida

Aunque existen muchas opciones de termistores, la serie TNC (Figura 4) de Stackpole Electronics es una buena opción para diseños en entornos hostiles que requieren tiempos de respuesta rápidos. Esta línea de termistores NTC de pequeña huella en superficie se diferencia de los termistores NTC multicapa tradicionales por la avanzada tecnología de deposición de película gruesa aplicada a una base cerámica.

Figura 4: La serie TNC de termistores NTC utiliza la deposición de película gruesa sobre un sustrato cerámico para proporcionar una estructura mecánicamente robusta. (Fuente de la imagen: Stackpole Electronics)

Esta construcción diferencia la serie TNC de los termistores NTC multicapa tradicionales al utilizar un único sustrato cerámico en lugar de capas cerámicas monolíticas co-cocidas, eliminando así la delaminación estructural bajo tensión. También produce un componente con un espesor uniforme y consistente en todo el rango de resistencia. Todos estos dispositivos están calificados como AEC-Q200 para aplicaciones automotrices y vehiculares.

Los termistores de la serie TNC están disponibles en ocho valores nominales de resistencia de 3, 4,7, 5, 10, 22, 33, 47 y 100 kΩ, con resistencias que varían desde 50 Ω hasta 500 kΩ sobre la temperatura. La línea ofrece valores B desde 2410 K hasta 4700 K y tolerancias de resistencia de ±0,5%, ±1%, ±2%, ±3%, ±5% y ±10%. Funcionan en un rango de temperatura de -40 a 150°C para dispositivos con valores B superiores a 3300 K, y entre -40 y 125°C para valores B inferiores a 3300 K. Los termistores están disponibles en cualquiera de tres paquetes SMD: 0402, 0603 y 0805. Existen combinaciones seleccionadas de resistencia, valores B, tolerancia y tamaño del paquete.

Además de su construcción robusta, estos termistores de huella reducida presentan una respuesta térmica rápida, con una constante de tiempo térmico inferior a 5 segundos (s). Esto garantiza una respuesta rápida a los cambios de temperatura.

Ejemplos de dispositivos incluyen el TNC0402FTD10K0F338, un termistor de 10 kΩ ±1% con valores de B25/50, B25/85 y B25/100 de 3380 K, 3409 K y 3418 K, respectivamente. La tolerancia al valor B es del ±1%. Está disponible en un paquete SMD 0402 y tiene una potencia máxima de 110 mW. Como uno de los dispositivos más pequeños de la serie, es especialmente adecuado para lugares donde el espacio es limitado.

Al modelar cualquiera de estos termistores usando los valores B, seleccione el rango de temperatura B que mejor se ajuste al rango de diseño previsto.

El TNC0603JTC47K0H450 ligeramente mayor está disponible en un encapsulado SMD 0603 y tiene una resistencia nominal de 47 kΩ con una tolerancia del ±5%. Tiene una potencia máxima de 120 mW. Los valores B son B25/50, B25/85 y B25/100 para 4438 K, 4500 K y 4518 K, respectivamente, lo que la convierte en una buena opción para aplicaciones que requieren mayor sensibilidad a los cambios de temperatura. La tolerancia al valor B es ±3%.

Cuando se requiere una mayor disipación de potencia o una mayor tolerancia térmica, el TNC0805KTC100KH410 de 130 mW en un paquete SMD 0805 más grande puede ser una buena opción. Se trata de un termistor de 100 kΩ con una tolerancia de resistencia del ±10%. Los valores B son B25/50, B25/85 y B25/100 para 4071 K, 4100 K y 4109 K, respectivamente. La tolerancia al valor B es ±3%.

Conclusión

Los termistores de la serie TNC de Stackpole Electronics, que utilizan tecnología de película gruesa, ofrecen precisión, estabilidad y durabilidad a largo plazo para la detección, monitorización y control de temperatura en entornos hostiles, incluyendo aplicaciones automotrices, industriales y médicas.