Sensores de temperatura: Termistores de coeficiente de temperatura positivo (PTC)

Esta es la parte 3 de nuestro proyecto para probar cada tipo de sensor de temperatura con todas las implementaciones/topologías estándar. Si quieres añadir un sensor de temperatura a tu proyecto, esta serie te tiene cubierto con todas las opciones cubriendo el rango completo de precisión y costo. Al final de la serie, estaremos construyendo un par de placas base para todas las tarjetas de sensores que hemos desarrollado, lo que nos permitirá probar, comparar y contrastar los diferentes tipos de sensores a lo largo de un rango completo de temperaturas y condiciones. En esta entrega de la serie, nos sumergimos en los sensores de termistor con Coeficiente de Temperatura Positivo (PTC).

En la introducción a esta serie, construimos una plantilla de proyecto para las tarjetas de sensores de temperatura analógicos, y otra para las tarjetas digitales. Puedes encontrar esas plantillas y las implementaciones de sensores para los termistores PTC cubiertos en este artículo en GitHub. Como siempre, estos proyectos son de código abierto, liberados bajo la licencia MIT lo que te permite usarlos con muy pocas restricciones.

Puede encontrar una gama completa de termistores PTC, y decenas de miles de otros componentes y sensores en mi Biblioteca Celestial de Altium, la mayor biblioteca de código abierto para Altium Designer®. También puede mirar sensores de termistor PTC en Octopart si desea ver las existencias de componentes de los distribuidores.

En esta serie, vamos a echar un vistazo a una amplia gama de sensores de temperatura, hablando sobre sus ventajas y desventajas, y las implementaciones/topologías comunes para su implementación. La serie cubrirá:

• Termistores de Coeficiente de Temperatura Negativo (NTC)
• Termistores de Coeficiente de Temperatura Positivo (PTC)
• Detectores de Temperatura por Resistencia (RTD)
• Circuitos Integrados de Sensor de Temperatura Analógicos
• Circuitos Integrados de Sensor de Temperatura Digitales
• Termopares

Arriba está el diseño de PCB sobre el que leerá en el Visor de Altium 365; ¡una forma gratuita de conectarse con sus compañeros de trabajo, clientes y amigos con la capacidad de ver el diseño o descargarlo con un solo clic de un botón! Suba su diseño en cuestión de segundos y tenga una manera interactiva de echar un vistazo en profundidad sin ningún software pesado o potencia de computadora.

Termistores de Coeficiente de Temperatura Positivo (PTC)

Como sugiere el nombre, los termistores de coeficiente de temperatura positivo, o PTC por sus siglas en inglés, tienen una resistencia que aumentará a medida que su temperatura sube - lo opuesto exacto de los termistores NTC del artículo anterior en esta serie. Esto puede ofrecer algunas aplicaciones muy interesantes; por ejemplo, los fusibles rearmables PTC están relacionados con los termistores PTC. Mientras que estamos tratando de limitar la corriente a través de un dispositivo para reducir el auto-calentamiento, un fusible PTC utiliza el auto-calentamiento para limitar la corriente debido al aumento en la resistencia a medida que la temperatura sube.

Los termistores NTC son, de lejos, los más populares en circuitos en la naturaleza. La mayoría de los circuitos integrados que tienen conexiones para un termistor solo admitirán un termistor NTC, como los circuitos de cargadores de baterías. Además, las resistencias de los termistores NTC a 25 °C son significativamente más altas que las de la variedad PTC. Los termistores NTC más comunes son de 10k y 100k ohmios, donde los PTC son de 470 ohmios y 1k ohmios. Las tolerancias para los sensores termistores PTC comúnmente pueden ser del 50%, lo que no proporcionará una lectura de temperatura precisa sin una calibración precisa. Aunque el rango de tolerancia es relativamente grande, la mayoría de las hojas de datos de los fabricantes muestran que la curva de respuesta de temperatura es típicamente consistente, lo que significa que el dispositivo solo debería necesitar una calibración inicial a una única temperatura conocida.

Existen varios tipos diferentes de termistores PTC, como podemos ver en el árbol genealógico de TI arriba.

Aunque los termistores PTC generalmente no son la primera opción de sensores de temperatura debido a su necesidad de calibración y baja resistencia, pueden usarse en ciertos circuitos. Donde un termistor PTC puede ser increíblemente útil en tu circuito es para aplicaciones donde quieras tener un flujo de corriente reducido a medida que la temperatura aumenta. Esto puede ser muy práctico para una placa con LEDs que tienen resistencias limitadoras de corriente y estarán expuestas a una amplia gama de temperaturas. Al usar un termistor PTC de 470 Ohmios o 1k Ohmios, quizás en serie con una resistencia normal para ajustar finamente el flujo de corriente, puedes limitar la potencia a un LED. A medida que la temperatura de la placa aumenta, el LED recibirá menos potencia. Además, la corriente total disminuirá, por lo que habrá menos calentamiento por efecto Joule durante la operación. Esta restricción creciente en la corriente es esencial porque los LEDs fallan principalmente por la temperatura de la unión. Al reducir el flujo de corriente y la disipación de calor en el LED a altas temperaturas, puedes extender en gran medida la expectativa de vida del LED. Alternativamente, si necesitas aumentar la corriente a algún otro elemento a medida que la temperatura aumenta, pondrías el termistor PTC en paralelo.

Para este proyecto, voy a incluir dos termistores PTC. El primero es la opción más almacenada en paquetes 0402 o 0603 de Digi-Key y tiene una tolerancia del 50%. Realmente no está destinado para aplicaciones de detección de temperatura, pero pensé que sería interesante incluirlo como un ejemplo de un componente de muy baja tolerancia. El segundo es un termistor PTC de 1k con una tolerancia del 0.5%, que está destinado para aplicaciones de detección de temperatura.

Implementación PTC: Divisor de Voltaje

La implementación para el divisor de voltaje en los termistores PTC es idéntica a la implementación NTC en el artículo anterior de esta serie. El termistor de 470 Ohm tiene un rango de tolerancia tan amplio que no creo que valga la pena agregar otra línea al BOM para darle un valor diferente al resistor superior al que estoy usando para el termistor de 1k Ohm.

Una vez más, si fueras a implementar esto en tu propio proyecto, mirarías el gráfico de resistencia para el termistor PTC y elegirías un resistor apropiado para optimizar tu voltaje de salida para el rango que necesitas detectar.

Con las plantillas de proyectos de sensores que creamos en la primera entrega de esta serie, crear el PCB es relativamente trivial. Las plantillas tienen el 90% del enrutamiento ya completado, y solo necesitamos posicionar los dos nuevos componentes. Con un poco de trabajo enrutando el nuevo sensor, la tarjeta de evaluación está lista para usarse.

La placa del termistor PTC de 1K es, por supuesto, casi idéntica en apariencia, pero el termistor viene en un paquete 0402 en lugar de 0603. Si quisieras evaluar cualquier otro termistor de tamaño 0402 o 0603, podrías tomar los archivos del proyecto de estas placas del repositorio de GitHub y hacer tus propias placas con tus propios sensores de termistor.

Implementación de PTC: Añadiendo Seguidor de Voltaje

Estoy usando el termistor PTC de 1K ohmios con tolerancia de 0.5% más preciso, con el seguidor de voltaje ya que está diseñado para aplicaciones de detección de temperatura, y la opción de 470 ohmios que estamos probando está destinada para aplicaciones de limitación de corriente. El termistor de 470 ohmios no tendría mucho sentido conectarlo a un circuito que proporcionará un resultado de detección más preciso, ya que su tolerancia es muy grande.

Al igual que los termistores NTC del artículo anterior de esta serie, esto probablemente te dará una lectura más precisa, pero el costo combinado de un amplificador de buffer y el sensor podría permitirte comprar un sensor analógico de buena calidad con una salida lineal y una tolerancia ajustada. Esto es más una demostración para obtener una lectura más estable y precisa si te ves obligado a usar un termistor PTC en un dispositivo externo y no tienes la capacidad de elegir un sensor de temperatura por ti mismo.

Usar un seguidor de voltaje 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 típicamente tendrán una resistencia muy alta a tierra, pero aún así actuarán como una resistencia paralela a nuestro divisor de voltaje. Al agregar un amplificador operacional buffer/seguidor de voltaje al circuito, podemos aislar el pin del microcontrolador del divisor de voltaje.

La PCB para la implementación del seguidor de voltaje sigue el mismo tema que las otras placas de termistores PTC. El termistor se encuentra en el lado opuesto del corte térmico a los componentes no sensibles. Al mantener solo el elemento sensor dentro del área del corte térmico, todas nuestras mediciones serán consistentes y no estarán sesgadas por otros componentes cercanos. No esperaría que ninguno de los otros componentes genere suficiente calor como para influir en la lectura de temperatura que determine del termistor PTC. Sin embargo, el objetivo aquí es comparar los sensores directamente contra otros tipos de componentes y topologías, por lo que vamos a mantenerlos aislados de cualquier otro circuito.

Otras Opciones: Puente de Wheatstone

Un puente de Wheatstone es una herramienta fantástica para medir cambios mínimos en la resistencia con mucha precisión. Una manera de hacer esto es colocar el elemento sensor en una de las ramas del puente y calibrar el dispositivo de tal manera que el voltaje a través de la salida sea cero. Entonces, podrías determinar el cambio de resistencia de un termistor PTC midiendo el voltaje a través de la salida del puente. Sin embargo, no vale la pena nuestro tiempo usar un componente inherentemente inexacto, como un termistor, como parte de un circuito de precisión porque las otras resistencias requeridas para calibrar el circuito de medición serían diferentes de una placa a otra. El compromiso de ingeniería no lo justifica - si te ves obligado a usar un termistor PTC como sensor para medición debido a requisitos externos, el simple método del divisor de voltaje te permitirá medir la temperatura con suficiente precisión. Si puedes elegir tus propios componentes para medir la temperatura, lograrás un resultado de mayor calidad usando un circuito integrado de precisión para la detección de temperatura. El circuito integrado de precisión costará menos que las partes necesarias para un puente de Wheatstone.

Prueba las placas de termistor PTC tú mismo

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 sensores termistores de coeficiente de temperatura negativo, 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 vendrá a continuación en la serie al revisar el repositorio!

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