Sabemos que los termistores sirven principalmente para medir temperatura y que para usarlos necesitamos un circuito de acondicionamiento. En este artículo nos centraremos en acondicionar la NTC con un circuito un tanto especial, ya que vamos a acondicionar una NTC con una fuente de corriente.
Tradicionalmente solemos usar el termistor NTC junto con una resistencia en serie. De esta manera formamos un circuito potenciométrico entre la NTC y la resistencia. Esta configuración como divisor de tensión variable permite convertir la variación de la resistencia de la NTC (debida a los cambios de temperatura) en una variación de tensión.
El circuito potenciométrico está genial para muchos usos, de hecho, para la mayoría. Puedes leer este artículo sobre cómo usar una NTC con un circuito potenciométrico si te interesa el tema, vas a ver como el circuito es de lo más sencillo. Además, en él te enseño como utilizar las ecuaciones de la NTC para calcular la temperatura partiendo de la tensión del punto medio sel divisor de tensión.
Sin embargo, esta vez usamos un circuito distinto, una fuente de corriente para obtener una respuesta lineal.
Que es un circuito de acondicionamiento
Empecemos por lo obvio. ¿Qué es un circuito de acondicionamiento? Los sensores o transductores analógicos se van a caracterizar por que su salida es en forma de tensión, corriente, resistencia, capacitancia y algún otro más.
Se pueden dar dos situaciones, la primera en la que la señal de salida del sensor no esté en la forma adecuada para su manipulación en etapas posteriores del circuito. Un ejemplo de esto son los termistores, en ellos la variación de temperatura provoca una variación de resistencia entre sus terminales o patillas, sin embargo, las posibles etapas posteriores normalmente van a necesitar una señal en tensión. Un microcontrolador puede tener un conversor analógico a digital, pero con casi toda seguridad, ese conversor ADC toma a su entrada un valor de tensión, no un valor de resistencia.
El primer tipo de acondicionamiento nos permitirá convertir una magnitud eléctrica en otra. Por ejemplo, la variación de resistencia en variación de tensión, como en la NTC.
No tenemos porque quedarnos aquí, se puede convertir de casi cualquier magnitud eléctrica a cualquier otra magnitud eléctrica. Cuando usamos un fotodiodo, deberemos con casi toda seguridad convertir su salida ( que es en corriente ) a una señal de tensión para poder trabajar con ella.
El segundo tipo de circuito de acondicionamiento es el usado para ajustar la señal, normalmente en tensión, a los valores máximos y mínimos permitidos por el sistema o a los valores adecuados para la siguiente etapa del sistema electrónico que estamos diseñando o montando. Un ejemplo es el que vimos en este artículo sobre el método para adaptar la señal de un sensor para entrar en un ADC.
Usar una NTC con un circuito potenciométrico
Una cosa está clara, una de la manera más fáciles de usar una NTC es montar el termistor en un circuito potenciométrico, es decir, con una resistencia en serie. Esta es una de las técnicas más usadas debido a su sencillez y bajo coste. En la mayoría de casos se elige usar una NTC como sensor de temperatura por su bajo coste, en ese caso, ¿para que iba a querer elevar el coste usando un circuito de acondicionamiento más caro? Buena pregunta.
El circuito potenciométrico tiene un problema para algunos tipos de sensores, y es que su respuesta no es lineal. Hay que admitir que nos encantan las rectas y las variaciones lineales de la señal de salida con respecto a la señal de entrada. Los circuitos no lineales pueden inducir errores de linealización y medida en el sistema. En un circuito potenciométrico no es así, ya que o bien la variable de entrada es R1 y por tanto está tanto en el denominador como en el numerador o bien es R2 que está sumando en el denominador.
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Como ves esto puede ser un problema en algunos sensores de respuesta más o menos lineal como galgas extensiométricas.
En realidad para una NTC no es tan crítico debido a que la NTC ya es no lineal por si misma, te animo a que veas los motivos y como se comporta la NTC en el anterior tutorial sobre Cómo usar una NTC.
Acondicionar una NTC con fuente de corriente
Otra de las posibilidades que tenemos para acondicionar un termistor NTC es el uso de una fuente de corriente. A grandes rasgos, una fuente de corriente se encarga de generar una corriente que no varia con respecto al tiempo, siempre es constante, es por esto que hablamos de una fuente de corriente constante.
¿Por qué usar una fuente de corriente? ¿Por qué funciona? Recuperemos la Ley de Ohm. Resulta que cuando una corriente circula a través de un material que ofrece una resistencia eléctrica a su paso, se produce una caída de tensión entre los puntos de entrada y salida de la corriente que es proporcional a esta. Es decir, que si hacemos circular una corriente a través de una resistencia, en esta obtendremos una caída de tensión proporcional de la siguiente manera.
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Como nuestra corriente es constante y la resistencia es variable, ya que depende de la temperatura, podemos despejar el valor de la resistencia como:
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Por tanto, si conocemos la corriente ( recuerda que es constante ) y medimos la tensión ( cosa que es fácil de hacer ) conocemos el valor de la resistencia. Como es una NTC, si conocemos la resistencia, podemos calcular el valor de la temperatura que está midiendo el termistor. Y esta medida si que es lineal.
Circuito de una fuente de corriente
Existen multitud de formas distintas de crear una fuente de corriente, inclusive podríamos usar espejos de corriente si fuera necesario. Pero, en esta ocasión vamos a analizar como crear la fuente de corriente con un transistor BJT o bipolar. Esta es una de las formas más usada.
Llegos a este punto, tenemos dos alternativas, usar un transistor npn o un pnp. ¡Eterno debate! Nunca nos pondremos de acuerdo en este tipo de situaciones, porque ambos se puedes usar si se usan bien.
Usando un transistor BJT PNP. En este artículo voy a usar un PNP aunque también trataré por encima el caso del npn. Para generar una fuente corriente constante con un transistor BJT lo normal es recurrir al uso de la autopolarización del transistor, también llamada polarización por divisor de tensión. En este tipo de polarización, controlamos la corriente que circula por el transistor mediante la tensión que colocamos en la base y la resistencia que ponemos en el emisor.
Si te fijas en el circuito, en la base tenemos una tensión fijada por el diodo zener D1 y la resistencia R2. Imaginemos por un momento que Vcc ( la tensión de alimentación del circuito ) es de 5 voltios. Debido a que en el zener deben caer 2.3 v y que está en serie a GND con R2, en la resistencia R2 debe producirse una caída de tensión equivalente a la diferencia de Vcc con la tensión de avalancha del diodo zener. Por tanto, la tensión que cae en R2 ( y por consecuencia la tensión en la base del transistor ) es de Vcc – 2.3v, en este ejemplo 5 -2.3 v = 2.7 v.
Sabemos que un BJT autopolarizado se cumple la norma que establece que entre la base y el emisor habrá una tensión casi invariante a la que llamaremos Vbe(on). Para este transistor en concreto, esta tensión de base emisor en estado activo es de 0.6v, aunque si vemos el datasheet este nos indicará que la tensión es de 1 voltio como máximo.
Debido a que conocemos la tensión en la base y la diferencia de tensión entre la base y el emisor, podemos calcular la tensión en el emisor como: Ve = Vb + Vbe(on) es decir, en el ejemplo: Ve = 2.7 v + 0.6v = 3.3v
Solo queda aplicar la famosa e indispensable Ley de Ohm. Entre el emisor y Vcc tenemos una diferencia de Vcc – Ve = 5 – 3.3 v = 1.7 v. También sabemos que entre Vcc y el emisor tenemos dos resistencias en serie. Por consecuencia, la corriente que circula por las resistencias es la diferencia de tensión entre la resistencia equivalente.
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La corriente que circula por el emisor será la corriente de la base más la del colector. A efectos de una primera aproximación, podemos decir que la corriente que circula por el colector es muy similar a la que circula por el emisor que acabamos de calcular.
Por tanto la corriente que hemos calculado, también es la corriente que circula por el termistor NTC.
La corriente depende de la tensión en la base y de la resistencia del emisor. La tensión en la base es fija, ya que depende del zener, por tanto el único grado de libertad que queda es la resistencia del emisor, concretamente el potenciómetro del emisor. Variando el potenciómetro, se varia la corriente que circula por la NTC.
Para obtener la lectura de la NTC tendremos que medir la tensión entre masa ( GND ) y el colector del transistor. Conociendo la tensión medida y la corriente que hemos fijado, se puede calcular el valor de la resistencia de la NTC usando la Ley de Ohm. A partir de la resistencia de la NTC, se puede calcular la temperatura.
Usando un transistor NPN. El uso de un transistor npn es muy similar, se pueden aplicar las mismas ecuaciones (considerando los cambios de signo). Sin embargo presenta una clara desventaja. Si te fijas en el siguiente esquema, para medir la tensión en la NTC tendríamos que hacerlo con una entrada diferencial, ya que ninguno de los terminales de la NTC están conectados a masa.
Usar un circuito potenciométrico o una fuente de corriente
La pregunta es interesante y puede tener varias respuestas. Si te interesa que sea económico y fácil, usa una circuito potenciométrico, sin duda alguna. Si lo que buscas es controlar la corriente que circula por la NTC, usa una fuente de corriente.
Un motivo por el cual se puede querer una fuente de corriente es el auto-calentamiento de la NTC. Cuando a través de la NTC circula una corriente, provoca la disipación de energía en forma de calor por el mero hecho de ser una resistencia. La potencia disipada depende del cuadrado de la corriente y de la resistencia:
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Cuando se disipa calor, aumenta la temperatura del componente y teniendo en cuenta que la NTC es un sensor de temperatura, no tiene buena pinta este efecto ya que nos dara lecturas superiores a la temperatura real.
Para reducir su efecto, podemos reducir la corriente que circula por la NTC.
Si buscas en el datasheet del componente, veras que el fabricante habla de una potencia máxima que puede disipar la NTC sin quemarse y cual es la relación entre la potencia disipada y el aumento de la temperatura esperado.
Un procedimiento adecuado puede ser calcular la corriente máxima que puedes configurar sin que se queme la NTC usando la potencia máxima «maximum dissipation». Después calcular la corriente máxima que te puedes permitir en función del factor de disipación y del error máximo que puedes cometer en la temperatura. Por último elegir un valor de corriente muy inferior a ambos valores de corriente máxima.
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