Termistor PTC

¿Qué son los termistores PTC?

PTC significa «Coeficiente de temperatura positivo». Los termistores PTC son resistencias con un coeficiente de temperatura positivo, lo que significa que la resistencia aumenta con el incremento de la temperatura.

Los termistores PTC se dividen en dos grupos, según los materiales utilizados, su estructura y el proceso de fabricación. El primer grupo de termistores PTC está formado por los silistores, que utilizan el silicio como material semiconductor. Se utilizan como sensores de temperatura PTC por su característica lineal. El segundo grupo es el de los termistores PTC de tipo conmutado. Este tipo de termistores PTC se utiliza ampliamente en calentadores PTC, sensores, etc. Los termistores PTC de polímero, fabricados con un plástico especial, también pertenecen a este segundo grupo, y suelen utilizarse como fusibles reajustables. El termistor PTC de tipo conmutado tiene una curva resistencia-temperatura altamente no lineal. Cuando el termistor PTC de conmutación se calienta, la resistencia empieza a disminuir al principio, hasta que se alcanza una determinada temperatura crítica. Al aumentar la temperatura por encima de ese valor crítico, la resistencia aumenta drásticamente. Este artículo se centrará en los termistores PTC de tipo conmutado.

Definición de termistor PTC

Un termistor PTC es una resistencia térmicamente sensible cuya resistencia aumenta significativamente con la temperatura.

Características de los termistores PTC

Los termistores PTC de tipo conmutado suelen estar fabricados con materiales cerámicos policristalinos que son altamente resistivos en su estado original y se hacen semiconductores mediante la adición de dopantes. Se utilizan sobre todo como calentadores autorreguladores PTC. La temperatura de transición de la mayoría de los termistores PTC conmutados se sitúa entre 60°C y 120°C. Sin embargo, se fabrican dispositivos para aplicaciones especiales que pueden conmutar a temperaturas tan bajas como 0°C o tan altas como 200°C.

Los silistores tienen una característica lineal resistencia-temperatura, con una pendiente que es relativamente pequeña en la mayor parte de su rango operativo. Pueden presentar un coeficiente de temperatura negativo a temperaturas superiores a 150 °C. Los silistores tienen coeficientes de temperatura de resistencia de aproximadamente 0,7 a 0,8% °C.

Las características resistencia-temperatura(R-T) de un termistor PTC y de un silistor

Temperatura de transición (Tc)

Como puede verse en la figura, los termistores PTC de conmutación tienen un coeficiente de temperatura ligeramente negativo hasta el punto de resistencia mínima. Por encima de este punto, experimenta un coeficiente ligeramente positivo hasta el momento en que alcanza su temperatura de transición – TC. Esta temperatura se denomina temperatura de conmutación, de transición o de Curie. La temperatura de conmutación es la temperatura a la que la resistencia de los termistores PTC de conmutación comienza a aumentar rápidamente. La temperatura de Curie se define la mayoría de las veces como la temperatura a la que la resistencia es el doble del valor de la resistencia mínima.

Resistencia mínima (Rmin)

La resistencia mínima de un termistor PTC es la resistencia más baja que se puede medir en un termistor PTC de tipo conmutado, como se ve en la curva R-T. Es el punto de la curva a partir del cual el coeficiente de temperatura se vuelve positivo.

Resistencia nominal (R25)

La resistencia nominal del PTC se define normalmente como la resistencia a 25°C. Sirve para clasificar los termistores según su valor de resistencia. Se mide con una corriente baja que no calienta el termistor lo suficiente como para afectar a la medición.

Constante de disipación

La constante de disipación representa la relación entre la potencia aplicada y el aumento resultante de la temperatura del cuerpo debido al autocalentamiento. Algunos de los factores que afectan a la constante de disipación son: los materiales de los hilos de contacto, la forma de montaje del termistor, la temperatura ambiente, las vías de conducción o convección entre el dispositivo y su entorno, el tamaño e incluso la forma del propio dispositivo. La constante de disipación tiene un gran impacto en las propiedades de autocalentamiento del termistor.

Corriente nominal máxima

La corriente nominal representa la corriente máxima que puede fluir constantemente a través de un termistor PTC en condiciones ambientales específicas. Su valor depende de la constante de disipación y de la curva R-T. Si el termistor se sobrecarga hasta el punto en que el coeficiente de temperatura comienza a disminuir de nuevo, se producirá una situación de energía desbocada y la destrucción del termistor.

Tensión nominal máxima

De forma similar a la corriente nominal máxima, la tensión nominal máxima representa la tensión más alta que puede aplicarse de forma continua al termistor en condiciones ambientales especificadas. Su valor también depende de la constante de disipación y de la curva R-T.

Modos de funcionamiento

Dependiendo de la aplicación, los termistores PTC pueden utilizarse en dos modos de funcionamiento: autocalentamiento y detección (también llamado de potencia cero).

Modo de autocalentamiento

Las aplicaciones de autocalentamiento aprovechan el hecho de que cuando se aplica una tensión a un termistor y fluye suficiente corriente a través de él, su temperatura aumenta. Al acercarse a la temperatura de Curie, la resistencia aumenta drásticamente, permitiendo que fluya mucha menos corriente. Este comportamiento puede verse en la figura de la izquierda. El cambio de resistencia cerca de la temperatura de Curie puede ser de varios órdenes de magnitud en un intervalo de temperatura de sólo unos pocos grados. Si la tensión se mantiene constante, la corriente se estabilizará en un determinado valor cuando el termistor alcance el equilibrio térmico. La temperatura de equilibrio depende de la tensión aplicada, así como del factor de disipación térmica del termistor. Este modo de funcionamiento se utiliza a menudo cuando se diseñan circuitos de retardo de tiempo dependientes de la temperatura.

Modo de detección (potencia cero)

En este modo de funcionamiento, el consumo de energía del termistor es tan pequeño que tiene un efecto insignificante en la temperatura del termistor y, por tanto, en la resistencia, en contraste con el modo de autocalentamiento. El modo de detección se utiliza normalmente cuando se mide la temperatura utilizando la curva R-T como referencia.

Construcción y propiedades

Los termistores PTC de tipo conmutado están hechos de materiales policristalinos. A menudo se fabrican utilizando mezclas de carbonato de bario, óxido de titanio y aditivos como tantalio, sílice y manganeso. Los materiales se trituran, se mezclan, se comprimen en forma de discos o rectángulos y se sinterizan. Después se añaden los contactos y finalmente se recubren o encapsulan. El proceso de fabricación requiere un control muy cuidadoso de los materiales y las impurezas. Las contaminaciones del orden de unas pocas partes por millón pueden provocar cambios importantes en las propiedades térmicas y eléctricas.

Los PTC de polímero están hechos de una lámina de plástico con granos de carbono incrustados. Cuando el dispositivo se enfría, los granos de carbono están en estrecho contacto entre sí, formando un camino conductor a través del dispositivo. A medida que el dispositivo se calienta, el plástico se expande y los granos se separan más, aumentando la resistencia total del dispositivo.

Los silistores se basan en las propiedades del silicio dopado y presentan características de resistencia-temperatura casi lineales. Se fabrican a partir de obleas de silicio de gran pureza y con diferentes formas. La curva de resistencia a la temperatura depende de la cantidad de dopaje utilizada.

Aplicaciones típicas de los termistores PTC

Calentadores autorregulados

Si hay una corriente que circula por un termistor PTC de conmutación, se autoestabilizará a una temperatura determinada. Esto significa que si la temperatura disminuye, la resistencia disminuirá también, permitiendo que fluya más corriente y calentando así el dispositivo. Del mismo modo, si la temperatura aumenta, la resistencia también se incrementa, limitando la corriente que pasa por el dispositivo y enfriándolo. El termistor PTC ha llegado entonces a un punto en el que la potencia consumida es prácticamente independiente de la tensión en un rango de tensión relativamente amplio. Estos termistores PTC suelen estar fabricados con cerámica de diversas formas y tamaños y, debido a su flexibilidad de diseño, los calentadores cerámicos PTC son una gran opción para proporcionar calor eléctrico controlado. Para aumentar la transferencia de calor, los elementos calefactores cerámicos pueden montarse en disipadores de calor o rejillas de aluminio.

Protección contra sobrecorriente

Los termistores PTC conmutados se utilizan como limitadores de sobrecorriente o fusibles reajustables en diversos circuitos. En el caso de una situación de sobrecorriente, la temperatura del cuerpo del termistor aumenta y alcanza rápidamente la temperatura de transición. Esto hace que la resistencia del termistor PTC aumente bruscamente, limitando la corriente en el circuito. Cuando la situación de sobrecorriente o cortocircuito se resuelve y el termistor se enfría de nuevo, el circuito vuelve a funcionar con normalidad. De este modo, actúa como un fusible automático reajustable. Normalmente se utilizan termistores PTC de polímero para esta aplicación. Se conocen bajo diferentes nombres comerciales como polifusible, poliswitch y multifusible.

Retardo de tiempo

Se puede proporcionar un retardo de tiempo en un circuito utilizando el tiempo necesario para que un termistor PTC se caliente lo suficiente como para cambiar de su estado de baja resistencia a un estado de alta resistencia, y viceversa. El tiempo de retardo depende del tamaño, la temperatura ambiente y la tensión a la que está conectado, así como del circuito en el que se utiliza. Un ejemplo de uso de los termistores PTC con retardo de tiempo es su uso en lámparas fluorescentes. Cuando se aplica la energía por primera vez, el termistor está en un estado frío (temperatura ambiente). La tensión de la lámpara está por debajo de la tensión de encendido y la corriente que circula por el circuito calienta los electrodos y el PTC al mismo tiempo. Cuando se alcanza la temperatura de Curie, el PTC se conmuta, la tensión a través de la lámpara supera la tensión de encendido y la lámpara comienza a funcionar normalmente. El precalentamiento de los electrodos prolonga significativamente la vida de la lámpara, razón por la cual los termistores PTC se utilizan en este tipo de circuitos.

Arranque del motor

Algunos motores eléctricos tienen un devanado de arranque separado que necesita ser alimentado sólo durante el arranque del motor. En estos casos, podemos utilizar el efecto de autocalentamiento de un termistor PTC conectado en serie con dicho devanado. Cuando se enciende el circuito, el termistor PTC tiene una baja resistencia, permitiendo que la corriente pase por el devanado de arranque. A medida que el motor arranca, el termistor PTC se calienta y en un momento dado pasa a un estado de alta resistencia. El tiempo necesario para que esto ocurra se calcula en base al tiempo de arranque del motor requerido. Una vez calentado, la corriente a través del termistor PTC se vuelve despreciable y esto apaga la corriente del devanado de arranque.

Sensores de nivel de líquido

Estas aplicaciones se basan en el cambio de la constante de disipación cuando la transferencia de calor por conducción y convección se incrementa. Un aumento de la constante de disipación, resultante del contacto entre el dispositivo y un líquido o un aumento del flujo de aire sobre el dispositivo, reducirá la temperatura de funcionamiento del termistor y aumentará la cantidad de potencia necesaria para mantener una temperatura corporal determinada. El aumento de potencia puede medirse e indica al sistema que el termistor está, por ejemplo, sumergido en un líquido.

Símbolo de termistor PTC

El siguiente símbolo se utiliza para un termistor de coeficiente de temperatura positivo, según la norma IEC.

Símbolo de termistor PTCNorma IEC