¿Cómo mantienen los termistores de alta temperatura su estabilidad a temperaturas extremas?

Funcionamiento fiable más allá de los 300 °C mediante compuestos cerámicos y óxidos metálicos dopados

Los termistores de altas temperaturas utilizan compuestos cerámicos especiales (específicamente, óxidos de metales de transición dopados con sistemas de manganeso-níquel-cobalto (MNC)) cuyas estructuras están optimizadas para un funcionamiento fiable por encima de los 300 grados Celsius. Toda la actividad del semiconductor se confina a una estructura cristalina específica, donde el movimiento iónico no es muy libre. Los elementos de tierras raras en exceso presentes en la mezcla estabilizan la composición dentro del termistor y, como consecuencia, mejoran la sensibilidad térmica. Los fabricantes de termistores indican que, si se emplea la composición química adecuada, sus termistores experimentarán una variación de resistencia inferior al 0,5 % tras 5 000 ciclos térmicos (normas ASTM). El uso de estabilizadores de burbujas de control a base de circonia estabilizada con itria y la sinterización en un entorno rico en oxígeno contribuyen a lograr la microestructura deseada. Esta microestructura permite que los termistores presenten una resistencia muy baja a la fisuración por tensiones térmicas cuando se someten a ciclos térmicos extremos.

Desafíos con la fusión por calor de los componentes con el tiempo: Asentamiento de los cristales  

Se ha descubierto que la sedimentación cristalina resulta problemática cuando un sólido se somete a una temperatura suficientemente elevada durante un período prolongado. Una de las principales contramedidas frente a este problema es conocida como sinterización co-fusionada multicapa. En la sinterización co-fusionada multicapa, múltiples capas de termistores, así como de material aislante, se fusionan conjuntamente en un único ciclo de sinterización (aproximadamente 1.400 grados Celsius) para formar una entidad homogénea y monolítica, diseñada expresamente para contrarrestar las tensiones mecánicas. Los diseños más recientes han demostrado reducir la tensión mecánica interna (dentro de la entidad) por debajo del 50 % respecto del valor típico (tensión media) observado en entidades fabricadas mediante apilamiento vertical convencional (las mediciones posteriores al procesamiento de la tensión en las entidades co-fusionadas se realizaron conforme a la norma IEC 60539). Tras la co-fusión, el dispositivo se somete a una encapsulación hermética de alúmina para crear un sellado estanco al vacío (helio). Los resultados de los ensayos muestran una tasa de fuga de helio inferior a 1 × 10⁻⁸ atm·cm³/s, lo que impide la entrada de gases (deriva) en la encapsulación a temperaturas superiores a 250 grados Celsius. Los coeficientes de dilatación térmica del material de encapsulación (alúmina) y del material del termistor están muy bien ajustados (dentro de ±1,5 ppm/°C), lo que contribuye a suprimir el movimiento de los límites de grano en al menos un 80 % (tras una vida útil prolongada).

Estas técnicas permiten que los componentes mantengan su precisión con una deriva inferior al 2 % durante 10 000 horas a temperatura de funcionamiento máxima.

Rendimiento de estabilidad térmica bajo condiciones reales de estrés

Los termistores de alta temperatura no solo deben mantener su precisión en el laboratorio, sino también frente a las tensiones combinadas de ciclos térmicos, ataques químicos y vibraciones mecánicas en escenarios del mundo real.

Métricas de deriva a largo plazo: cambio de resistencia inferior al 2 % tras 5 000 horas a 250 °C (IEC 60751-2)

La norma IEC 60751-2 especifica los estándares de fiabilidad que la mayoría de las empresas aspiran a alcanzar. Al describir las especificaciones de deriva negativa, se dice que los sensores que experimentan una deriva de resistencia inferior al 2 % han conservado dicha deriva tras 5 000 horas de uso continuo a 250 grados Celsius. Para validar estas especificaciones, los fabricantes realizan ensayos de envejecimiento acelerado que simulan el entorno en el que operará el equipo. Estos ensayos incluyen múltiples cámaras climáticas para simular diversos entornos (por ejemplo, cálido y húmedo) y hacen funcionar el equipo a plena potencia para superar las especificaciones. Asimismo, la temperatura de funcionamiento del equipo se somete a ciclos rápidos (por ejemplo, alcanzando los 300 grados en menos de un minuto). Para lograr estos resultados, los fabricantes trabajan con materiales que poseen estructuras cristalinas estables. La producción de dichos materiales requiere una dopación específica, un recocido cuidadoso para aliviar las tensiones acumuladas y una microestructura adecuada fijada de forma precisa para obtener el resultado final deseado.

Compromisos entre tiempo de respuesta y precisión en la monitorización térmica de convertidores de alta potencia

La selección de un termistor adecuado al trabajar con convertidores de alta potencia (>200 grados Celsius) requiere compromisos entre el tiempo de respuesta y la precisión de las mediciones. Los sensores de película gruesa ofrecen tiempos de respuesta inferiores a medio segundo, lo cual es bastante bueno, pero presentan una deriva de precisión de aproximadamente 1,5 grados Celsius ante cambios rápidos de carga. Por el contrario, algunas perlas termistóricas sumergidas en recubrimientos protectores alcanzan una precisión de 0,3 grados Celsius incluso ante cambios rápidos de temperatura superiores a 50 grados Celsius por segundo; sin embargo, sus tiempos de respuesta son superiores a 3 segundos. En el caso de los elementos protectores de los IGBT, las consecuencias de un error son muy graves y pueden provocar, por un lado, el apagado innecesario del sistema o, por otro, el sobrecalentamiento y la destrucción del dispositivo. La mayoría de los ingenieros consideran este tipo de diseño de sistema y la precisión de las mediciones como un parámetro más crítico que el tiempo de reacción.

Aplicaciones de termistores de alta temperatura: detección y protección

Cortes por sobretensión de los devanados del motor con PTC y puntos de conmutación nítidos (120 °C - 200 °C)

Para un número creciente de motores industriales, los termistores PTC se están convirtiendo en dispositivos esenciales de protección interna para los devanados de los motores industriales. Estos dispositivos son pequeños y, en estado de reposo, presentan una baja resistencia. Al alcanzar una temperatura umbral (típicamente entre 120 y 200 °C), aumentan significativamente su resistencia e interrumpen el circuito eléctrico para evitar posteriores incrementos de temperatura y prevenir daños. Están construidos de tal manera que no alternan cíclicamente entre estados de encendido y apagado con cada descenso o ascenso de la temperatura. En el caso de los motores servo, que pueden operar normalmente alrededor de 150 °C, la mayoría de los termistores PTC utilizados para protección tendrán una precisión dentro de ± 5 % durante miles de ciclos de calentamiento y enfriamiento. Este es un criterio aceptado para cumplir con la norma IEC 60751-2. Están fabricados con cerámicas resistentes, lo que les permite soportar entornos exigentes donde esté presente la vibración. Debido a estas características, los termistores PTC pueden ofrecer una protección térmica fiable sin necesidad de sensores adicionales ni sistemas de control.

Mecanismos de fallo y estrategias de mitigación para termistores de alta temperatura

Las altas temperaturas provocan mecanismos de fallo específicos en los termistores. Estos incluyen ciclos térmicos repetidos, que generan microfisuras diferenciales debido a la expansión diferencial; alteraciones inducidas por el calor en las propiedades resistivas, causadas por una oxidación acelerada; sellos que se degradan y desplazan la calibración debido a contaminantes; y fatiga de las uniones soldadas, que constituye una de las principales causas de fallo electromecánico por vibración.

Debemos comenzar con los materiales para mejorar las estrategias de mitigación. Tomemos, por ejemplo, cerámicas dopadas, capaces de detener la molesta reordenación de las estructuras cristalinas. También existen carcasas metálicas soldadas por láser que ofrecen un sellado casi ideal frente a las influencias ambientales. Asimismo, hay intercapas de disiliciuro de molibdeno que actúan como amortiguadores entre distintos materiales que se expanden a tasas diferentes en función de la temperatura. Además de otros métodos, se prefiere la unión por alambre de oro frente a la de aluminio, ya que el oro presenta un mejor comportamiento que el aluminio a temperaturas superiores a +400 °C, punto en el que fallan el alambre metálico de oro u otros materiales. Sin embargo, las soluciones modernas más avanzadas no se basan únicamente en componentes estructurales. Por ejemplo, los ingenieros pueden detectar daños antes de que se propaguen mediante la monitorización embebida de la resistencia. En estos casos, el carácter predictivo del enfoque resulta ideal, pues es fundamental en aplicaciones sin redundancias.

Preguntas Frecuentes  

¿Qué materiales se utilizan en los termistores de alta temperatura?

Los termistores de alta temperatura suelen fabricarse con cerámica, ya que pueden construirse a partir de sistemas de óxidos de metales de transición dopados que contienen manganeso, níquel y cobalto, lo que los hace preferibles por su menor probabilidad de fallo a altas temperaturas.

¿Qué significa 'cocción simultánea multicapa' en relación con los termistores?
En la cocción simultánea multicapa, capas alternadas de termistores y capas de aislamiento se fusionan en una única operación de cocción simultánea, creando estructuras monolíticas que soportan mejor las tensiones mecánicas que los métodos convencionales.

¿Cómo protegen los termistores PTC los devanados de los motores?
Los termistores PTC ofrecen autorprotección al aumentar su resistencia hasta un punto en que interrumpen el circuito, evitando así cualquier daño adicional.