Cómo se utiliza un termistor para medir la temperatura: funcionamiento, circuitos, aplicaciones

Cuando configura una freidora y se apaga en el momento justo, o una olla arrocera se pone a mantener caliente exactamente cuando el grano ha absorbido suficiente agua, un pequeño componente está pensando en el electrodoméstico. Ese componente es el termistor, una resistencia de dos terminales cuya resistencia cambia con la temperatura. Este artículo explica cómo se utiliza un termistor para medir la temperatura: el principio físico que lo hace funcionar, el circuito que lee su resistencia, las matemáticas que convierten esa lectura en temperatura y los detalles prácticos que deciden si la medición se mantiene precisa durante años de uso.

Una resistencia que cambia con la temperatura

Conclusión primero: un termistor NTC mide la temperatura porque su resistencia cae de forma conocida y repetible a medida que aumenta la temperatura. Esa única propiedad es la que convierte un componente pasivo en un sensor.

Un termistor está hecho de materiales semiconductores cerámicos, generalmente óxidos metálicos, sinterizados en una pequeña cuenta, chip o disco. Hay dos familias. Los termistores de coeficiente de temperatura negativo (NTC) disminuyen la resistencia a medida que aumenta la temperatura; Los termistores de coeficiente de temperatura positivo (PTC) aumentan la resistencia y se utilizan con mayor frecuencia para protección contra sobrecorriente o calentadores autorreguladores. Para la medición de temperatura predomina el tipo NTC.

El cambio es lo suficientemente grande como para leerlo sin necesidad de dispositivos electrónicos complicados. Un termistor NTC típico de 10 kΩ clasificado a 25 °C mide aproximadamente 33,6 kΩ a 0 °C y aproximadamente 700 Ω a 100 °C, una oscilación de casi 50 a 1 en todo el rango en el que operan la mayoría de los electrodomésticos. un Sensor de temperatura NTC por lo tanto, sólo necesita una entrada analógica básica en un microcontrolador, mientras que un termopar requeriría amplificación y compensación de unión fría. Esta combinación de señal grande, bajo costo y tamaño pequeño es la razón por la cual los termistores aparecen en casi todos los aparatos con temperatura controlada.

Cómo lee un microcontrolador el termistor

Conclusión primero: un microcontrolador lee un termistor a través de un divisor de voltaje, porque un convertidor analógico a digital (ADC) mide el voltaje, no la resistencia.

La disposición estándar conecta el termistor y una resistencia fija en serie a través del riel de suministro, con el nodo de medición entre ellos. El ADC mide el voltaje del nodo y la resistencia se calcula a partir de ese voltaje. Si el termistor está en el lado bajo y la resistencia fija en el lado alto:

votar = Vcc × Rfijo / (Rtermistor fijo)

Cuando el termistor se calienta y su resistencia cae, una mayor cantidad de voltaje de suministro cae a través de la resistencia fija, por lo que Vout aumenta. Cuando se enfría, Vout cae.

Una cadena de medición práctica consta de cuatro partes:

• Una tensión de alimentación estable, normalmente 3,3 V o 5 V
• Una resistencia fija con una tolerancia estricta, preferiblemente 1% o mejor.
• El termistor NTC en un paquete adecuado al entorno operativo
• Un ADC con suficiente resolución para distinguir el paso de temperatura más pequeño que le interesa al diseño

Un termistor NTC típico de 10 kΩ con un valor B de 3950, combinado con una resistencia fija de 10 kΩ y un suministro de 5 V, produce estas lecturas:

Observe el espaciado desigual: entre 0°C y 25°C la salida cambia en 1,35 V, mientras que entre 75°C y 100°C cambia solo 0,32 V. La sensibilidad es naturalmente mayor a temperaturas más bajas. Los diseñadores aceptan esto, reorganizan el divisor para desviar la sensibilidad hacia la ventana operativa o lo corrigen en el firmware porque la curva es suave y repetible.

Convertir resistencia en temperatura

Conclusión primero: Una vez conocida la resistencia, tres métodos estándar la convierten en temperatura: una tabla de consulta, la ecuación del parámetro B o la ecuación de Steinhart-Hart. La elección es un equilibrio entre simplicidad, uso de memoria y precisión.

Tabla de búsqueda (tabla R-T)

Los fabricantes publican una tabla de resistencia versus temperatura para cada tipo de sensor. El firmware almacena esa tabla, encuentra las dos entradas que agrupan la resistencia actual e interpola linealmente entre ellas. Este es el método más rápido en un microcontrolador pequeño y el más común en tableros de control de electrodomésticos. El problema es que la tabla debe coincidir con el valor B del sensor. Emparejar una mesa B = 3435 con un sensor B = 3950 produce errores de varios grados en ambos extremos del rango.

Ecuación del parámetro B

Para un lapso de temperatura moderado, la resistencia es la siguiente:

R(T) = R25 × exp[B × (1/T - 1/298,15)]

donde T está en kelvin, R25 es la resistencia a 25 °C y B es la constante del material, normalmente entre 3000 K y 5000 K para los termistores NTC. Esta ecuación necesita sólo dos constantes y es sencilla de implementar. Pierde precisión cuando el lapso excede aproximadamente los 50°C, pero dentro de una ventana estrecha es la forma más rápida de estimar la temperatura sin una tabla.

Ecuación de Steinhart-Hart

Para obtener el rango más amplio y la mejor precisión, la ecuación de Steinhart-Hart es la opción estándar:

1/T = A B × ln(R) C × (ln R)^3

Los tres coeficientes, A, B y C (que no deben confundirse con la constante del material anterior), se ajustan a la curva medida del sensor. Con buenos coeficientes, esta ecuación se mantiene dentro de unas pocas centésimas de grado en todo el intervalo nominal. Un microcontrolador lo evalúa varias veces por segundo, por lo que el coste computacional es insignificante.

Cualquiera que sea el método utilizado, el propio sensor conlleva tolerancia. Un termistor NTC estándar tiene una tolerancia de resistencia de aproximadamente ±1 % a 25 °C y una tolerancia de valor B de ±1 %, que en conjunto se traducen en aproximadamente ±0,5 °C a ±1 °C de error a 100 °C. Si el diseño necesita una mayor precisión, especifique un sensor de mayor calidad o realice una calibración de un punto en la línea de producción.

Consideraciones prácticas que deciden la precisión real

Conclusión primero: La precisión de la medición de un termistor se decide tanto por las condiciones de instalación y funcionamiento como por el propio elemento sensor. En los electrodomésticos reales, cuatro factores causan la mayor parte del error.

Autocalentamiento. La corriente de polarización calienta el sensor ligeramente por encima del medio medido, creando un error persistente. Mantenga la disipación de energía por debajo de aproximadamente 1 mW para un sensor de cuentas de vidrio. Como referencia, un sensor de 10 kΩ en un divisor de 10 kΩ con un suministro de 3,3 V disipa aproximadamente 0,27 mW a 25 °C: seguro, pero fácil de superar si se aumenta el voltaje de suministro o si la resistencia fija se hace mucho más grande.

Coincidencia del valor B. Dos sensores con la misma resistencia a 25°C pero diferentes valores de B leen lo mismo a temperatura ambiente y divergen progresivamente alejándose de ella. Confirmar que el valor B del sensor de producción coincida con la caracterización del firmware; una falta de coincidencia es una causa común del comportamiento "bueno a 25°C, incorrecto a 90°C".

Embalaje y tiempo de respuesta. El elemento cerámico desnudo reacciona en una fracción de segundo, pero el encapsulado lo ralentiza. Las perlas recubiertas de epoxi reaccionan rápidamente y se adaptan al aire seco que se mueve a través de un elemento calefactor; Las sondas selladas de metal o silicona son más lentas pero sobreviven al agua, el vapor y los agentes de limpieza. Seleccionar una sonda sellada para una aplicación húmeda o una perla de epoxi rápida para una corriente de aire es tan importante como la especificación eléctrica.

Colocación. El termistor mide su propia temperatura local. Debe estar lo más cerca posible del punto que se controla: el elemento calefactor, la cavidad de cocción o el líquido que se está calentando. Unos pocos milímetros de separación, una corriente de aire de un ventilador de refrigeración o un soporte de metal grueso que disipa el calor pueden cambiar la lectura varios grados.

Un sistema de termistor apto para electrodomésticos, especificado e instalado teniendo en cuenta estos cuatro factores, mantiene su calibración durante años. Este nivel de previsibilidad es en lo que confían los fabricantes cuando crean un algoritmo de control en torno a un componente de bajo costo.

Medición de termistores en electrodomésticos reales

En los aparatos de producción, el termistor nunca funciona de forma aislada. Se conecta al tablero de control a través de un mazo de cables, y el conector, los cables conductores y el aislamiento son parte del sistema de medición. Un sensor con terminales flojos o aislamiento agrietado produce lecturas intermitentes que ninguna calibración puede corregir. Por lo tanto, los fabricantes evalúan el sensor, el arnés y el conector como un solo conjunto y no como piezas separadas.

En una freidora, el sensor NTC monitorea la cavidad de cocción e informa al controlador, que cambia el calentador para mantener la temperatura establecida. El sensor debe reaccionar rápidamente y permanecer estable ante grandes cambios de temperatura; un sensor lento provoca un exceso y un dorado desigual.

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Un hervidor eléctrico es una prueba diferente. El sensor se monta contra la placa calefactora con un sello térmico y el firmware monitorea un rápido aumento de temperatura. Si el acoplamiento térmico se debilita, el hervidor puede seguir calentándose más allá del punto de ebullición antes de que el controlador reaccione. Un elemento de respuesta rápida combinado con una estructura de montaje confiable es lo que hace que un hervidor eléctrico se apague de manera confiable en todo momento.

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Una olla arrocera lleva el mismo principio más allá. El sensor se encuentra debajo de la olla interior y el controlador observa la tasa de aumento de temperatura para decidir cuándo se ha absorbido el agua y luego reduce la energía para mantener el calor. Es una aplicación de termistor clásica: un sensor de bajo costo, un divisor simple y una curva bien caracterizada que trabajan juntos para producir un resultado de cocción consistente. El mismo enfoque aparece en los fabricantes de leche de soja, los procesadores de alimentos y las ollas a presión eléctricas.

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Desde el punto de vista de la adquisición, la cuestión práctica no es si los termistores miden bien la temperatura (lo hacen), sino si el sensor suministrado se caracteriza con la curva R-T correcta, está empaquetado para el entorno real y se entrega con un cableado que sobrevive al montaje y al uso diario. Elegir un fabricante del mazo de cables y del sensor de temperatura NTC que controla todos esos elementos juntos evita los problemas de desajuste que aparecen después de que los productos llegan al campo.

La conclusión

Un termistor mide la temperatura porque su resistencia sigue una curva repetible y bien entendida. La cadena es corta: un divisor de voltaje convierte la resistencia en voltaje, un ADC digitaliza ese voltaje y una tabla de búsqueda o la ecuación de Steinhart-Hart lo convierte en temperatura. La verdadera precisión proviene de los detalles que las ecuaciones no muestran: autocalentamiento, coincidencia del valor B, embalaje, ubicación y el cableado que conecta el sensor al controlador. Maneje esos detalles adecuadamente, y un componente que cuesta unos pocos centavos por unidad mantendrá un electrodoméstico dentro de uno o dos grados de su objetivo durante años de operación diaria.