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Sensores y acondicionamiento de señales -MT247

1. Proceso

Para saber el rango de T° y que sensor vamos a usar primero definimos que es un termistor PTC y NTC y observamos cuáles son sus características.

El termistor fue inventado en 1930 por el americano Samuel Rubén, y obtuvo la patente de EE.UU nº2021491. Los termistores son resistores variables con la temperatura basados en semiconductores. El término termistor proviene de Thermally Sensitive Resistor. Existen dos tipos de termistores, dependiento de si su coeficiente de temperatura es negativo o positivo. Si es negativo se denominan NTC( las cuales se fabrican a base de mezclar y sinterizar óxidos dopados de metales como el níquel, cobalto, manganeso, hierro y cobre),y si es positivo se denominan PTC (basadas en titanato de bario al que se añade titanato de plomo o de circonio para determinar la temperatura de conmutación) .

El funcionamiento de un termistor se basa en la variación de la resistencia de un semiconductor con la temperatura, debido a la variación de la concentración de portadores. Para los termistores NTC, al aumentar la temperatura, aumentará también la concentración de portadores, por lo que la resistencia será menor, de ahí que el coeficiente sea negativo. Para los termistores PTC, en el caso de un semiconductor con un dopado muy intenso, éste adquirirá propiedades metálicas, tomando un coeficiente positivo en un margen de temperatura limitado.

Sus principales características son:

1.Su rango de temperaturas esta entre -100ºC y 150ºC,aunque las unidades encapsuladas pueden alcanzar hasta los 300ºC.2. En la mayoría de la aplicaciones para una temperatura de 25ºC la resistencia varía entre 100 ohm y 100Kohm.3. Tienen un tamaño reducido que hacen que la repuesta a los cambios de temperatura sea rápida(tienen mayor sensibilidad a los cambios de temperatura que otro transconductores).4. Son autocalentables, lo que hace que puedan ser indeseables en algunas aplicaciones, y que otras bases su funcionamiento en ese fenómeno.5. Gracias a la intercambiabilidad(tolerancia con la que es producido un termistor),es posible cambiar un termistor por otro en un sistema, sin necesidad de volver a calibrar el aparato de

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA - FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA 1

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medida.

Existen varios tipos de configuraciones para los termistores. Éstos son: los tipo perla, tipo disco, tipo chip, tipo arandela y tipo barra. Los termistores tipo perla con cubierta de cristal se caracterizan por tener una excelente estabilidad y fiabilidad a temperaturas superiores a 300ºC. Los termistores tipo chip y disco tienen un tamaño mayor que los de perla, lo que permite una potencia de disipación mayor, a expensas, eso si, de peores tiempos de respuesta. Por su geometría, los termistores de disco suelen tener más potencia de disipación que los chips.

2. Selección del sensor

En el laboratorio nosotros usamos un sensor de tipo PTC MCP03XM102 que varía 1k ohm cada 25°C

Entre las características más importantes de un termistor, las cuales nos darán una idea para el

diseño y la futura aplicación están:

-Margen de temperatura: -100ºC a 150ºC

-Resistencia a temperatura ambiente (25ºC): 0.5ohm a 100Mohm, 1kohm a 10Mohm es lo habitual.

-B (temperatura característica del material): 2000K a 5000K

-Temperatura máxima: >125ºC, 300ºC en régimen permanente, 600ºC en régimen intermitente

-Coeficiente de disipación δ : 1mW/K en aire en reposo, 8mW/K en aceite

-Constante de tiempo térmica: 1ms a 22s

-Potencia disipable: 1mW a 1W

Estas características se sacan de las tablas de los distintos Datasheets:



3. Elaboración del circuito

Va1=2.33=2*Rt 1Rt 1+5

Rt1=1.2k

Va2=2.33=2*Rt 2Rt 2+5

Rt2=10k

Como Va2=Va3=Va4 => Rt2=Rt3=Rt4.

4. Observaciones


130 140 150 160 170 180 190 200 2100

5

10

15

20

25

30

35f(x) = − 0.152204095800069 x + 54.9472405414787

Resistencia vs Temperatura


5. Aplicaciones

A. MEDICION DE LA TEMPERATURA:

El termistor puede utilizarse como elemento termosensible de buena sensibilidad. Para esta aplicación, puede montarse un termistor pequeño en la punta de una sonda. Se muestra varios circuitos para la medición de temperaturas. En la figura A, el termistor, T, está montado en serie con una fuente de cc, una resistencia ajustable limitadora de corriente, R, y un instrumento de medición de corriente continua (M). El examen de la figura A muestra que dado que el termistor sufre un gran cambio en su resistencia con la temperatura, el instrumento M probablemente deberá indicar amperes así como miliamperios.

El instrumento puede ser ajustado a cero o a alguna otra lectura inicial por medio de R. A medida que la temperatura a la que está expuesto el termistor aumenta, la deflexión del instrumento aumenta. La deflexión puede ser referida a una curva corriente-temperatura, o la escala puede ser graduada directamente en grados.

En la figura B se emplea un óhmetro convencional para indicar la resistencia del termistor a medida que cambia con la temperatura. La deflexión del instrumento puede ser referida a una calibración resistencia–temperatura, o la escala del instrumento o la escala del instrumento pueden ser graduadas directamente en grados a partir de dicha calibración.

La figura C ilustra un tipo de circuito puente para verificar temperaturas midiendo la resistencia del termistor.

B. CONTROL DE TEMPERATURA

Además de la medición de temperatura, puede disponerse de circuitos con termistor para el control directo de la temperatura.

Se muestra una disposición simple que utiliza la resistencia termosensible en serie con la bobina de

un relevador de control.

La elevación de temperatura disminuye permitiendo así el paso de más corriente a través del relevador, el cual es así excitado. La fuente de tensión puede ser de corriente continua (CC) o corriente alterna (CA) siempre que el relevador sea elegido adecuadamente.



Para obtener una mayor sensibilidad para pequeños cambios de temperatura, puede sustituirse el instrumento indicador en el circuito puente en la figura 6.1.1 C por un relevador sensible.

C. RETARDO DE TIEMPO

Puede utilizarse la característica de retardo del termistor, indicado en la figura 6.3.1, para obtener

efectos de retardo de tiempo de manera simple.

Se conecta un termistor en serie con una fuente de CC o CA. Y la correspondiente bobina de relé. El resistor R limita la corriente y modifica proporcionalmente la curva corriente-tiempo del termistor.

Cuando se cierra la llave S, la corriente del relevador aumenta gradualmente de acuerdo a la curva corriente-tiempo de la combinación termistor-resistor.

La corriente alcanza un nivel suficiente para hacer actuar el relé algún tiempo después de cerrada la llave.

La duración del intervalo de tiempo puede ser elegida ajustando R.

D. REGULADOR DE CORRIENTE

Dentro de sus limitaciones para el manejo de potencia, el termistor puede emplearse como regulador de tensión, especialmente para tensiones bajas. En el circuito se estabiliza una tensión de salida contra variaciones de la tensión de entrada.

R1 es un resistor limitador de corriente, similar al mismo resistor en un circuito regulador con diodo tener o válvula de vacío con gas. El valor de R2 debe elegirse para el máximo efecto regulador con respecto a la característica EI del termistor usado.

El efecto de regulación de tensión proviene del hecho de que la corriente a través del termistor y por lo tanto la caída de tensión sobre el mismo, aumenta en una proporción algo más que lineal con la tensión aplicada. Un pequeño cambio en la tensión de salida (caída de tensión sobre el termistor), resulta así de un cambio mayor de la tensión (aplicada) de entrada.

Una característica particularmente deseable de este circuito es que puede ser usado tanto para alterna como para CC.

E. MANOMETRO DE VACIO

En la figura 6.5.1, los termistores T1 y T2 forman dos de las ramas de un puente de Wheatstone. El termistor T1 está colocado dentro de la cámara de vacío, mientras que T2 está montado afuera.



Antes de hacer el vacío en la cámara, se equilibra el puente (llevando a cero el instrumento M) ajustando el resistor R2. A medida que aumenta el grado de vacío, el termistor T2 puede disipar mejor que T1 el calor producido por el paso de la corriente porque T1 está rodeado de aire progresivamente menos denso. En consecuencia, la resistencia de T1 (que está más caliente), difiere de la de T2: el puente se desbalancea y el instrumento indica una deflexión. La escala del instrumento puede ser calibrada para indicar la presión dentro de la cámara.

F. MEDIDOR DE FLUJO

En la figura se muestra un medidor de flujo que funciona basado en un principio algo similar al del medidor de vacío descripto anteriormente.

Aquí también hay un puente de cuatro ramas con termistores en dos de ellas. En este caso, un termistor T1 está montado de manera de estar directamente en el flujo del fluido (líquido o gas), mientras el termistor T2 está montado fuera del flujo. El puente se equilibra con el fluido en reposo, ajustando R2. Cuando el flujo aumenta, T1 puede disipar rápidamente su calor provocado por el paso de la corriente, debido al flujo que lo rodea.

T2 se calienta más porque está en un ambiente más quieto. En consecuencia el puente se desequilibra, reflectando la aguja del instrumento, que puede calibrarse para leer unidades de flujo.

Se ha utilizado un circuito similar a termistor como anemómetro.

G. CIRCUITO DE ACCIONAMIENTO EN UNA SECUENCIA DADA

En la figura varios dispositivos de carga, representados por RL1 a RLn, están conectados a través de una línea alimentada por la fuente E y controlada por la llave S. Todos excepto RL1 están conectados en serie con termistores (T1 a Tn).

Cuando se cierra la llave, el dispositivo RL1 puede operar casi instantáneamente. Los demás dispositivos operarán a mayores intervalos, dependiendo el tiempo de su resistencia, ya que cada uno está en serie con un termistor que introduce un retardo de tiempo.

Eligiendo adecuadamente los valores de las resistencias de carga (o resistores externos individuales en serie cuando todos los dispositivos tienen la misma resistencia) puede obtenerse que los dispositivos operen en el orden deseado una vez cerrada la llave.



H. SISTEMA DE ACCIONAMIENTO SELECTIVO

La figura muestra otro sistema de accionamiento que emplea termistores en serie.

En este circuito cuando se cierra cualquier llave, por esa rama del circuito circula corriente por el termistor.

Dimensionando convenientemente las resistencias en serie (R1 a Rn) se pueden obtener “disparos” del termistor análogos a los del tiratrón, y hay conducción todo el tiempo que la llave permanezca accionada. Cuando una rama está conduciendo, el paso de la corriente a través de la resistencia común en serie, Rs, produce una caída de tensión a través de Rs suficiente para reducir el voltaje de línea a un valor demasiado bajo para que otro termistor pueda disparar.

El resultado de esta acción es que cuando una rama del circuito está en funcionamiento, todas las otras están imposibilitadas de hacerlo. Sólo cuando se abre la llave en la rama conductora podrá el circuito ser llevado a la condición inicial en la que cualquier otra rama puede conducir.

I. REALIMENTACIO DE UN AMPLIFICADOR

Este termistor es del tipo con calefactor (también llamado de “calentamiento indirecto”). Este termistor tiene un elemento calefactor interno conectado sobre los terminales de salida del amplificador. El elemento resistivo termosensible del termistor está conectado sobre los terminales de entrada del amplificador, donde forma un potenciómetro con el resistor R5.

Cuando la señal de salida aumenta, el termistor es calentado por este incremento de voltaje sobre su calefactor y su resistencia disminuye.

Por la acción potenciométrica con R5, la resistencia del termistor hace disminuir el voltaje de la señal de entrada, y a su vez, la salida del amplificador. De esta manera se estabiliza la salida del amplificador a un nivel predeterminado, fijado principalmente por la relación entre el valor de Rs y la resistencia del termistor, y puede ajustarse por medio de Rs.



J. LIMITADOR

El sencillo circuito limitador o compresor. Utiliza la alinealidad del termistor para obtener acción limitadora en una forma muy similar al circuito regulador de voltaje.

Dado que la corriente a través del termistor aumenta rápidamente a medida que la tensión aplicada baja, la caída de voltaje resultante sobre el termistor (que constituye la señal de salida en este caso) se mantiene constante mientras la amplitud de la tensión de la señal de entrada fluctúa.

La elección de las resistencias R1 y R2 para un tipo particular de termistor dará como resultado una eficiente acción limitadora, sin la elevada distorsión provocada por algunos tipos de limitadores más sencillos.

K. EXPANSOR

Puede obtenerse el efecto opuesto con el circuito de la figura. Aquí la señal de salida es la caída de tensión por el paso de la corriente alineal del termistor a través de una resistencia en serie (RL).

Un pequeño incremento en el voltaje aplicado (señal de entrada), provoca la circulación de una corriente intensa a través de RL, provocando un gran incremento en la señal de salida.

Subrayamos la palabra “incremento” para evitar que pueda suponerse que tiene lugar una amplificación. No existe amplificación porque la amplitud de la señal de entrada no aumenta por efecto del circuito, sino sólo por su relación de cambio. En realidad la amplitud absoluta disminuye por efecto potenciométrico entre R1, T y R2.



L. VATIMETRO PARA UHF

El puente a termistor que se ve es muy útil para medir potencia en alterna. La baja capacidad interna del termistor permite que estas mediciones sean efectuadas en cualquier región del espectro de frecuencia, desde las bajas frecuencias de la red de canalización hasta las microondas.

La energía de la señal se aplica al termistor solamente, a través del capacitor C. El choque de

radiofrecuencia RFC evita el paso de esta energía a las otras ramas del puente. La corriente de la

señal calienta el termistor y cambia así proporcionalmente su resistencia.

Puede encontrarse el valor de la resistencia del termistor equilibrando a cero el puente, de donde:

Este valor de resistencia referido a una curva de calibración resistencia-potencia permite hallar el valor de la señal en vatios.Es costumbre emplear una fuente de CC para el puente cuando se miden en vatios de CA. Cuando

se miden vatios de CC con un puente a termistor se omite el capacitor C y se utiliza una fuente de CA

para alimentar el puente y un instrumento de medición para CA.



6. RECOMENDACIONES

Ver en el datasheet el rango de trabajo del sensor y de los componenetes electrónico antes de implementar el circuito.

Tener cuidado con el voltaje en la fuente de alimentación ya que puede sobrepasar el voltaje máximo del sensor y dañarlo.

Probar el funcionamiento del sensor antes de colocarlo en el circuito porque nos daría datos erróneos y dañaría el circuito implementado.



En el interfaz de potencia en el transistor rele, si el rele no se acciona con un transistor 2N2222 Se recomienda reemplazarlo por un TIP41C u otro transistor que se adecue al circuito implementado.

7. CONCLUSIONES

La salida del op-amp nos muestra que el PTC funciona como un sensor binario, encendiendo el led cuando alcanza un voltaje umbral determinado y apagándolo cuando se encuentra debajo del voltaje umbral.

El sensor se puede usar para accionar una planta o un sistema eléctrico alcanzando una temperatura determinada, como una alarma.


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