En la introducción a esta serie, comenzamos a trabajar en la prueba de todos los diferentes tipos de temperatura disponibles construyendo un conjunto de plantillas de proyecto: una para sensores analógicos y otra para sensores digitales. Puedes encontrar esas plantillas y las implementaciones de sensores para estos termistores NTC en GitHub. Como siempre, estos proyectos son de código abierto, liberados bajo la licencia MIT lo que te permite usarlos con muy pocas restricciones.
En este artículo, comenzaremos con nuestro primer tipo de sensor de temperatura, el termistor de coeficiente de temperatura negativo (NTC). Los termistores NTC son probablemente la clase de sensor de temperatura más utilizada ya que son baratos, fáciles de usar y, a pesar de no ser increíblemente precisos, son lo suficientemente exactos para la mayoría de las aplicaciones.
Si estás buscando comprar termistores NTC, dirígete a Octopart y mira lo que hay en stock con tu distribuidor favorito. También puedes encontrar una gama completa de termistores NTC, y muchas decenas de miles de otros componentes y sensores, en mi Celestial Altium Library, la biblioteca de código abierto más grande para Altium Designer®.
En esta serie, vamos a echar un vistazo a una amplia gama de sensores de temperatura, hablando sobre sus ventajas y desventajas, así como las implementaciones/topologías comunes para su implementación. La serie cubrirá:
A pesar de lo que acabo de decir sobre los termistores no siendo particularmente precisos, son ampliamente utilizados. La mayoría de las aplicaciones no necesitan más que unos pocos grados Celsius de precisión en la temperatura. Cuando se incorpora protección térmica básica o compensación térmica, los termistores PTC o NTC son suficientemente buenos. La mayoría de las impresoras 3D utilizan termistores para sus camas calientes y extremos calientes, razón por la cual necesitas calibrar la configuración de temperatura de tu filamento para cada impresora. Para mí, imprimiendo el mismo material con tres extremos calientes diferentes, tengo tres temperaturas en un rango de casi 10 °C. Los sensores de temperatura PTC o NTC son muy baratos de usar, lo cual es fantástico para dispositivos de bajo costo, especialmente donde se puede calibrar el sensor en un circuito en el momento de la fabricación, o el usuario puede hacerlo.
El costo de los termistores se compensa con el esfuerzo de ingeniería adicional para obtener una medición precisa de la temperatura, especialmente en un amplio rango de temperaturas. Esto los hace muy buenos para aplicaciones de protección donde una idea general de la temperatura es aceptable. La mayoría de los paquetes de baterías de iones de litio implementarán un termistor NTC de 10k para detener la carga si las celdas se están calentando demasiado con el fin de prevenir un fallo catastrófico.
Un Termistor NTC es una resistencia en la cual la resistencia disminuye a medida que la temperatura aumenta. Esto permite que los métodos típicos de medición de resistencia en un circuito calculen la temperatura de la resistencia. Desafortunadamente, el cambio de temperatura no es lineal, lo que significa que no se puede medir directamente el cambio de temperatura por el cambio en resistencia. Muchos fabricantes proporcionarán una curva de resistencia-temperatura y quizás incluso una fórmula para calcular la temperatura a partir de la resistencia, lo que significa que se puede usar un microcontrolador para obtener una medición razonablemente precisa. Suponga que el fabricante no proporciona esta información. En ese caso, puede usar un sensor de temperatura preciso o una cámara ambiental para medir el sensor en puntos de ajuste específicos para determinar la fórmula usted mismo.
En este proyecto, vamos a examinar dos termistores NTC diferentes y varias implementaciones para ellos. Estos son termistores de tolerancia ajustada, pero aún así no son excesivamente caros en comparación con otros termistores de menor tolerancia.
Ambos son componentes de montaje superficial; sin embargo, los componentes de orificio pasante están fácilmente disponibles. Una aplicación común de los componentes de orificio pasante es soldarlos al final de un par de cables para detección remota. Si quieres probar un termistor en un cable sin gastar mucho dinero, busca sensores de temperatura para impresoras 3D, típicamente serán un termistor de 10K. Sin embargo, algunas impresoras utilizan termistores de 100K en su lugar.
Parte |
NCP03WF104F05RL |
NCP15XH103F03RC |
Temp. Mín. de Detección |
-40°C |
-40°C |
Temp. Máx. de Detección |
+125°C |
+125°C |
Rango de Detección |
Local |
Local |
Resistencia a 25°C |
100 kOhm |
10 kOhm |
Tolerancia de Resistencia |
1% |
1% |
Tolerancia del Valor B |
1% |
1% |
Temperatura de Operación |
-40 °C a +125 °C |
-40 °C a +125 °C |
B0/50 |
- |
- |
B15/75 |
4250K |
3380K |
B25/75 |
- |
- |
B25/85 |
4311K |
3434K |
B25/100 |
4334K |
3455K |
Potencia máxima (mW) |
100 mW |
100 mW |
Fabricante |
Murata |
Murata |
Paquete |
0201 |
0402 |
El rango de temperatura de detección de los termistores es una ventaja sobre algunos de los sensores que veremos más adelante. El rango de detección cubría el rango operativo completo del sensor, permitiendo su uso en una amplia variedad de aplicaciones. Como los termistores son tan simples, también puedes usarlos bien más allá de estos rangos calificados siempre y cuando tu soldadura no se convierta en un estado líquido, o la contracción térmica no dañe el dispositivo.
La principal diferencia entre los dos sensores, aparte del tamaño del paquete, es la resistencia a 25 °C - tenemos un termistor NTC de 100k y otro de 10k, que son los valores más comúnmente utilizados.
Las hojas de datos para estos dos sensores parecen bastante lineales hasta que te das cuenta de que el eje de resistencia es logarítmico. En una escala lineal, como el gráfico a continuación, podemos ver que la resistencia está lejos de ser lineal cuando se lee directamente.
Podemos colocar una resistencia que coincida con la resistencia del termistor en el centro del rango de temperatura de interés en paralelo con el termistor para hacer una pequeña sección de la curva más lineal. Esto puede facilitar un cálculo y calibración más directos dentro de la región de temperatura lineal. Supongamos que tienes la capacidad de medir el perfil completo de un termistor para calcular los valores para la fórmula del termistor, o el fabricante es lo suficientemente amable para suministrarlos en la hoja de datos. En ese caso, puedes ahorrarte una resistencia y aún así tener una medición precisa en todo el rango.
La forma más sencilla de medir la temperatura es con un divisor de voltaje. Puedes usar el termistor como la pata superior o inferior del divisor de potencial. Si usas el termistor como la pata “superior” del divisor de potencial, el voltaje aumentará a medida que la temperatura aumente. Si usas un termistor como la pata inferior del divisor de voltaje, entonces el voltaje disminuirá a medida que la temperatura aumente.
Cualquier método es válido. Sin embargo, sugeriría intentar reducir la corriente a través del divisor para evitar el auto-calentamiento del termistor. Dependiendo del valor de tu termistor NTC y los requisitos, podrías ser capaz de optimizar la implementación cambiando la topología.
Para mi implementación, estoy usando un divisor simple que no está optimizado para ningún rango de temperatura en particular, utilizando un divisor superior que coincide con la resistencia del termistor a 25 °C. A 25 °C, deberíamos esperar la mitad del voltaje de entrada. Supongamos que estás construyendo un sensor de temperatura de esta manera. En ese caso, deberías tener un entendimiento del rango de temperatura con el que estás trabajando y optimizar la resistencia y la topología para proporcionar el rango más amplio posible de voltaje para poder medir la temperatura con mayor precisión.
Ten en cuenta que, a medida que la temperatura aumenta, la resistencia del termistor NTC disminuirá. Esto significa que la mayoría de la potencia se disipará a través de la resistencia de referencia, ya que tiene la mayor caída de voltaje. Esto también ayuda a prevenir el auto-calentamiento y es una buena estrategia si queremos medir temperaturas por encima del ambiente.
Para crear el PCB, vamos a utilizar la plantilla del proyecto de la Tarjeta de Sensor de Temperatura que creamos en el artículo anterior de la serie. La plantilla también está disponible en GitHub si te gustaría usarla para tus propios sensores.
Una cosa que podrías notar es que los nombres de las placas son los mismos que los de la plantilla del proyecto. ¡Esto no va a facilitar la gestión de potencialmente docenas de estas placas si todas van a tener los mismos nombres de esquemáticos y archivos PCB!
Le pregunté a mi amigo Davide Bortolami si tenía una manera de renombrar archivos en un proyecto de Altium, ya que mi práctica era quitar el archivo del proyecto, renombrarlo y luego agregarlo de nuevo al proyecto. Mi manera era bastante torpe, así que Davide sugirió inmediatamente el Gestor de Almacenamiento para renombrar los archivos. Puedes encontrar el gestor de almacenamiento bajo el botón de paneles en la parte inferior derecha de Altium.
El gestor de almacenamiento funciona perfectamente incluso si tu proyecto actual no está en un repositorio de control de versiones. Todo lo que necesitamos hacer es hacer clic derecho en el esquemático o PCB y clic en Renombrar (o presionar F2).
Esta es una solución mucho más elegante que el método que típicamente habría usado.
Luego agregamos una de las implementaciones mencionadas anteriormente al esquemático. El único cambio necesario en las secciones plantilladas del esquemático es conectar la salida analógica del sensor al conector de borde de tarjeta.
Como estos esquemáticos son de extremo único y no diferenciales, podemos conectar el lado negativo del par a tierra, con el lado positivo recibiendo la salida del divisor de voltaje conectado a él. Entonces, todo lo que necesitamos hacer es actualizar la placa para agregar los nuevos componentes.
Mientras trabajo en la placa, también estoy completando la tabla de canales analógicos que colocamos en la plantilla para identificar qué canal está utilizando la tarjeta de sensor particular. Esto debería reducir la posibilidad de agregar dos sensores que usen el mismo canal a una sola pila.
Las placas para estos son, por supuesto, increíblemente simples, con solo dos componentes agregados por placa. Podría haber colocado ambos sensores en la misma placa, pero quiero mantenerlo a un sensor por placa. Al mantener cada implementación de sensor aislada en su propia placa de circuito, ningún sensor influirá en los resultados de otro porque comparten una placa.
La placa del termistor NTC de 100k es esencialmente idéntica a otras, excepto por los componentes del resistor y el termistor. La plantilla del proyecto facilita mucho la creación de una serie de placas de circuito muy similares.
Como se mencionó anteriormente, podemos añadir una resistencia en paralelo al termistor NTC en nuestro divisor de voltaje. Esto ayudará a linealizar una sección del divisor de voltaje. Tener una salida lineal para el rango de temperatura de interés puede ser útil si no puedes ejecutar un algoritmo sobre los datos recopilados para convertir el valor a una temperatura precisa. También puede ser útil si no cuentas con las instalaciones para recopilar precisamente los datos necesarios para determinar los valores para el algoritmo. La sección lineal del rango de temperatura necesitará una lectura de voltaje, que puede interpretarse como temperatura diferencial directamente.
Para esta implementación, simplemente estoy añadiendo una resistencia en paralelo que linealizará el termistor alrededor de 25 °C. Tu implementación debe coincidir con la resistencia del termistor NTC en el punto central del rango de temperatura que estás intentando medir.
He colocado los dos resistores de 10K 0603 juntos para esta implementación, ya que no espero que haya ninguna diferencia medible en la posición física del resistor paralelo al termistor. Si tuviéramos instrumentación lo suficientemente precisa, probablemente podríamos detectar algo de calor del resistor paralelo calentando el termistor si estuvieran muy juntos. Sin embargo, sería una cantidad tan insignificante que no haría ninguna diferencia en ninguna aplicación del mundo real.
Para mejorar la estabilidad del circuito, también podemos usar un op-amp como seguidor de voltaje. Esto también puede darnos un poco más de precisión dependiendo de cómo se implemente el pin que está midiendo el voltaje. Un microcontrolador o un ADC dedicado tendrán cierta resistencia a tierra, que es típicamente muy alta, pero aún así actuará como un resistor paralelo a nuestro divisor de voltaje. Al usar un op-amp como buffer/seguidor de voltaje, podemos aislar el pin del microcontrolador del divisor de voltaje.
Estoy utilizando un amplificador buffer de bajo costo para este circuito. Un amplificador de instrumentación tendría un costo similar. Vale la pena mencionar que algunos de los sensores analógicos y digitales que veremos más adelante en la serie cuestan menos que solo el amplificador buffer y tienen mayor precisión y linealidad que un termistor PTC o NTC. Así que, aunque este circuito debería proporcionar una lectura más precisa, probablemente no tendría mucho sentido en una implementación de dispositivo real a menos que estés leyendo un termistor de un dispositivo/maquinaria externa donde no puedas cambiar el elemento sensor.
También podrías usar un amplificador operacional de propósito general para esto, con un costo reducido. Los amplificadores buffer tienen una ganancia de uno, por lo que no se requiere conexión de retroalimentación - y más importante aún, tienen una impedancia de entrada y salida excepcionalmente alta. Esta alta impedancia, en comparación con un amplificador operacional regular, ofrece mayor precisión al leer un divisor de voltaje como este. Dicho esto, un amplificador buffer como este es un exceso masivo para un termistor NTC, ya que es más que capaz de manejar señales de GHz.
El PCB para la implementación del seguidor de voltaje sigue el mismo estilo general de los demás, con el amplificador buffer y la resistencia divisora en el lado opuesto del corte térmico. De nuevo, no esperaría que hubiera ningún calor medible del amplificador buffer siendo conducido al termistor si se colocaran juntos. Este diseño continúa con el tema de mantener solo el elemento sensor dentro del área del corte térmico para que todas nuestras mediciones sean consistentes y no estén sesgadas por otros componentes cercanos.
También podrías usar un puente de Wheatstone para una medición aún más precisa del termistor. Sin embargo, no voy a implementarlo para un termistor NTC en esta serie. En el artículo sobre el Detector de Temperatura por Resistencia (RTD), encontrarás más información sobre la implementación de un puente de Wheatstone. Aunque un termistor implementado correctamente y usado con la fórmula correcta puede ser bastante preciso, usar un puente de Wheatstone en un sensor relativamente inexacto no vale la pena el tiempo de implementación y el costo. Los resultados de las aplicaciones simples anteriores te permitirán obtener lo máximo de un termistor NTC como sensor de temperatura.
Estas tarjetas de prueba de sensores son de código abierto, consulta el repositorio en GitHub para descargar los diseños y usarlos tú mismo. Si estás buscando evaluar algunos termistores NTC, los archivos del proyecto para estas placas te ahorrarán tiempo. También encontrarás todas las tarjetas de sensores que desarrollamos durante esta serie en el mismo repositorio de GitHub, ¡así que podrías obtener un adelanto de lo que viene a continuación en la serie al revisar el repositorio!
¿Te gustaría saber más sobre cómo Altium puede ayudarte con tu próximo diseño de PCB? ¿Todavía te preguntas qué es un termistor NTC? Habla con un experto en Altium.