El termistor NTC es un tipo de sensor de temperatura muy usado en electrónica, debido a varios factores como su coste y facilidad de uso. Es por esto que es buena idea conocer como se usan y que formas tenemos de conectarlo al resto del nuestro circuito.
El termistor es un transductor (sensor) que se fabrica con óxidos metálicos. Esto se traduce en que entre las patillas de un termistor siempre podremos medir una resistencia.
Un termistor está formado por el encapsulado y sus dos terminales, a efectos prácticos, lo podemos entender como una simple resistencia. Una resistencia que varía su valor en función de la temperatura a la que se ve sometido. El truco de las NTC está en conocer como se produce esa variación respecto de la temperatura.
¿Qué es un termistor NTC? ¿Y PTC?
Existen dos tipos de termistor, las NTC y las PTC. Si solo mirásemos el nombre, la diferencia entre ambos es la primera letra N o P. Ambos nombres son siglas en inglés que significan:
- NTC: Negative Temperature Coeficient
- PTC: Positive Temperature Coeficient
La principal diferencia entre estos dos tipos de termistor y la que caracteriza sus nombres es el signo de la sensibilidad de cada sensor. Es decir, como varia la resistencia al variar la temperatura que intentamos medir.
En las PTC al aumentar la temperatura, aumenta la resistencia entre los terminales del termistor.
En las NTC al aumentar la temperatura, disminuye la resistencia entre los terminales del termistor. Ocurre el proceso contrario a la PTC.
Otra diferencia es que la curva de calibración de la PTC es un poco menos amigable que la de la NTC. Esta curva no es más que la representación gráfica en la que enfrentamos la temperatura (en el eje Y) y la resistencia (en el eje X). Con ella apreciamos a simple vista la forma de comportarse del sensor.
En la mayoría de ocasiones en la que se debe usar un termistor, se opta por NTC, ya que aunque a priori puede parecer extraño tener una respuesta negativa, a la larga trae menos dolores de cabeza.
Acondicionamiento y como conectar un termistor NTC
Se trata de un sensor resistivo y por tanto, podemos usar varios circuitos distintos para realizar el acondicionamiento del sensor y obtener su lectura.
Como se trata de un sensor resistivo que no es de pequeña señal podemos usar las mismas técnicas que vimos para la LDR (fotoresistencia).
La primera posibilidad es usar una fuente de corriente. Esta técnica nos ayudará en la consistencia a lo largo del tiempo, y evitará aumentar la no linealidad de la que hablaremos más adelante. Sin embargo puede ser una técnica un poco enrevesada, sobre todo si es la primera vez que usas una NTC. En este otro tutorial puedes aprender como acondicionar un termistor con una fuente de corriente.
La segunda posibilidad y la que vamos a usar en este caso es el circuito potenciométrico. Este circuito está formado por el sensor y una resistencia, colocadas en serie a modo de divisor de tensión.
Este circuito es alimentado por una tensión, la cual provoca una tensión de salida en el punto medio del divisor de tensión (Vm).
Nuestro objetivo es calcular la temperatura, pero para llegar hasta ella debemos pasar por varias ecuaciones. Lo primero es conocer la tensión que hay en el punto medio del divisor de tensión y una vez conocida podremos calcular el valor de resistencia que presenta la NTC entre sus terminales.
Esto se puede hacer puesto que conocemos la tensión de alimentación y la resistencia fija. Todos estos parámetros se relacionan de la siguiente manera, tal y como vimos en un artículo anterior sobre el divisor de tensión.
(1) 
Si despejamos Rntc de la ecuación anterior (1) nos queda que la podemos calcular de la siguiente manera:
(2) 
Llegados a este punto, conocemos el valor de la resistencia que ofrece la NTC, sin embargo, el objetivo es conocer el valor de la temperatura a la que se ve sometida la NTC.
Ecuación de un termistor NTC
Como casi todos los sensores que usamos en electrónica, los termistores NTC también disponen de un modelo matemático que nos ayuda a relacionar la resistencia entre sus terminales y la temperatura a la que se encuentra.
En el caso de las NTC, la relación entre la resistencia y la temperatura tiene una forma característica y difícil de olvidar, la cual se puede apreciar en su curva de calibración.
Esta curva corresponde a una relación claramente exponencial y es por esto que la ecuación de las NTC es:
(3) 
Vamos paso a paso, ya que la ecuación anterior puede tener un aspecto extraño al verla por primera vez.
- T0 es la temperatura de referencia, expresada en Kelvin.
- R0 es la resistencia de referencia, es decir, la resistencia de la NTC cuando se encuentra a la temperatura de referencia.
- β es la constante de la NTC
- T es la temperatura que se está intentando medir, expresada en Kelvin.
T0, R0 y β, son parámetros que nos proporciona el fabricante en el datasheet del componente. Para la NTC que usaré más adelante. T0 es 25ºC, R0 es 10KΩ y β es 3977.
Para localizarlo en la tabla debes conocer cual es el valor R25, o lo que es lo mismo R0. En este caso buscaremos al fila en la cual R25 es de 10 000 Ω y a partir de ahí sacamos el resto de datos. La otra posibilidad es buscar en la tabla con el código de colores. En ocasiones, las NTC tiene bandas de colores de la misma manera que las resistencias normales.
Calcular la temperatura
Un par de apartados antes calculamos el valor de la resistencia de la NTC conocido el valor de tensión. Ahora, si aplicamos la ecuación 3, podemos calcular cuanto debe ser la temperatura que está midiendo la NTC.
(4) 
Por tanto, ya hemos alcanzado el objetivo. Partimos de la tensión del divisor de tensión y acabamos con la temperatura de la NTC.
Como puedes ver, este último paso es un poco más complejo en cuanto al cálculo ya que se debe realizar un logaritmo neperiano para resolverlo. Esto imposibilita el usar las NTC en ciertos tipos de circuitos.
Cuando se usa la NTC para medir un intervalo de temperatura pequeño, se puede realizar una linealización de la ecuación de la NTC en el intervalo que se usará, sin embargo esto siempre producirá un error. La linealización la veremos en otro tutorial.
Ventajas y desventajas de NTC
Quizá la mayor ventaja que presenta este tipo de transductor de temperatura es el coste de fabricación y la facilidad de uso con un circuito potenciométrico.
También existen desventajas y entre ellas se encuentran la no linealidad y la baja repetitividad en fabricación.
Como ya hemos visto antes, es un sensor que nos ofrece una respuesta exponencial y por tanto no es lineal. Créeme cuando te digo que a los ingenieros nos gustan las líneas rectas.
Por otro lado tenemos el efecto de repetitividad por el cual aparecen variaciones en la fabricación de los termistores. Al principio del artículo hablamos que el termistor se caracteriza por varios parámetros: R0, T0 y β y que estos los obtenemos del datasheet del componente. Esto es cierto y falso al mismo tiempo.
Si queremos realizar una medida aproximada y nos importa demasiado los posibles errores y variaciones en la medida podemos usar los parámetros de la hoja de componentes. SIn embargo, estos valores no son exactos y sufren variaciones de una NTC a otra, por tanto, suele ser buena idea obtener la curva de calibración de la NTC de manera experimental y de esa manera calcular el valor exacto de los parámetros para el sensor.
Esto es una gran desventaja con respecto a otros sensores ya que se debe repetir con todos y cada uno de las NTC que uses, ninguna es igual.
Usando el termistor NTC con Arduino
Como no podía ser de otra manera vamos a montarla y a conectarla a la entrada analógica de un Arduino. Puedes echarle un vistazo al vídeo para verlo de primera mano.
El primer paso será montar el circuito potenciométrico con una resistencia de 10KΩ, un potenciómetro de 10KΩ y la propia NTC. El potenciómetro lo usaremos para realizar un pequeño ajuste sobre el valor de la resistencia auxiliar.
En teoría los parámetros de la NTC son:
- R0 = 25ºC
- T0 = 10kΩ
- β = 3977
Ajustaremos el potenciómetro hasta que entre el punto de alimentación y el punto medio del potenciómetro midamos 10kΩ.
Es hora de conectar la alimentación del circuito a 5v de Arduino, la masa a GND y el punto medio del divisor a la entrada 0 de Arduino.
El código se encarga de leer el valor, convertirlo a tensión, y realizar los cálculos que vimos antes.
En el código debemos modificar el primer bloque de variables, ya que son las que modelan el circuito y caracterizan la NTC.
Raux corresponde al valor de la resistencia auxiliar.
Vcc es la tensión de alimentación del circuito potenciométrico.
Beta es la constante característica de la NTC.
Temp0 es la temperatura 0 expresada en kelvin y r0 es la resistencia de la NTC a la temperatura 0
La magia del código ocurre en el bloque de cálculo. En la primera línea calculamos el valor de tensión en la entrada analógica. En la segunda línea se calcula el valor de la resistencia de la NTC tal y como hemos visto antes. Y por último en la tercera línea se calcula la el valor de la temperatura en Kelvin. Para este último calculo se usa una ecuación derivada de la que hemos visto antes. Por motivos de gestión de datos, no se puede usar la ecuación 4 directamente en algunos micros ya que se pierden los datos en los decimales.
Potencia disipada
Las NTC son termistores y por tanto sensores resistivos. En este tipo de sensores debemos tener cuidado con la potencia que disipa el sensor ya que un valor excesivo puede destruir el sensor. En las NTC también lo debemos tener en cuenta por el efecto de auto-calentamiento.
Calcular la potencia disipada es tan fácil como calcular la corriente que circula por el divisor de tensión, elevarla al cuadrado y multiplicarlo por la resistencia de la NTC.
(5) 
El auto-calentamiento es un efecto que se produce debido la disipación de energía en forma de calor. Al disipar la energía, el termistor eleva su temperatura. Cuanta mayor potencia disipe el termistor, mayor será el incremento de temperatura por auto-calentamiento.
Es fácil de entender que tratándose de un sensor de temperatura, el auto-calentamiento es un efecto negativo para el sensor.
Podemos calcular cuanto se eleva la temperatura conociendo la potencia disipada (ecuación 5) y el factor de disipación que nos proporciona el fabricante en el datasheet del componente. En este caso el factor es de δ = 7mW/K.
(6) 
