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Ocurren muchas cosas que no se pueden anticipar cuando se utilizan termistores a temperaturas que no han sido especificadas por el fabricante. Por ejemplo, a temperaturas de aproximadamente menos cincuenta (−50) grados Celsius comienzan a surgir problemas al utilizar termistores que presentan características NTC. Se observan aumentos drásticos del orden del 300 % al 500 %, o incluso superiores, que no son en absoluto lineales. Como los portadores de carga no parecen desplazarse libremente, quedan atrapados y restringidos. ¿Qué ocurre con el cambio que se produce en el otro extremo? Altas temperaturas efectivas de aproximadamente ciento cincuenta (150) grados Celsius superan otro umbral de degradación. Al añadir cada vez más energía (en forma de calor) al semiconductor, se produce la ruptura de su estructura. Se aplica la ley de Moore y la resistencia total del material disminuye a medida que aumenta el número de electrones libres y la carga total. En general, este fenómeno sigue la ley de Arrhenius. Sin embargo, pueden darse circunstancias extremas e incontroladas. Expertos han observado que el calor puede eliminar mediante efecto de vacío entre el 15 % y el 25 % de la resistencia efectiva por cada incremento adicional de 10 grados por encima de los 150 grados Celsius.
Estas diferencias pueden hacer que los sensores no sean fiables para tareas que requieren una precisión extrema, como la medición de temperaturas en estaciones de investigación polar y el monitoreo de motores de reacción durante el vuelo. En las estaciones de investigación polar, incluso una diferencia de medio grado puede marcar la diferencia entre el éxito y el fracaso.
Degradación específica del material de los coeficientes beta y alfa
Los materiales de construcción y embalaje determinan la durabilidad de los termistores cuando se someten a temperaturas extremas altas y bajas. Por ejemplo, los termistores de óxido de manganeso-níquel con coeficiente de temperatura negativo (NTC) pueden perder hasta un 40 % de sus coeficientes beta debido a cambios irreversibles en su estructura cristalina al exponerse a temperaturas cercanas a los 200 grados Celsius. Los termistores basados en cobalto presentan sus propias características únicas. Cuando se exponen a temperaturas inferiores a 0 grados Celsius, estos termistores experimentan una deriva del coeficiente alfa de ±0,5 °C y menos de 0,5 °C por mes, ya que se generan pequeños defectos en la estructura cristalina como consecuencia de dichas bajas temperaturas. Uno de los hechos más interesantes y sorprendentes acerca de la construcción y el embalaje de los termistores es su influencia sobre la fiabilidad. Por ejemplo, en los ciclos térmicos, los termistores encapsulados en epoxi fallan aproximadamente tres veces más rápido que los termistores encapsulados en vidrio, especialmente en lo que respecta a la inestabilidad del coeficiente beta. Los termistores encapsulados en epoxi experimentan una inestabilidad del 0,8 % por cada 1000 horas a 125 °C, mientras que los termistores encapsulados en vidrio experimentan una inestabilidad del 0,25 % en el mismo período.
Diferentes tipos de fallos significan que los ingenieros deben ser cuidadosos con los materiales que utilizan para ciertas aplicaciones. Estos incluyen sensores desplegados en operaciones de perforación de pozos profundos o en dispositivos médicos que almacenan líquidos a temperaturas superiores a 100 grados y requieren mediciones precisas durante largos períodos.
Optimización de la selección de termistores para aplicaciones con temperaturas extremas
Adaptación del tipo de encapsulamiento (vidrio frente a epoxi) a condiciones ambientales específicas
Tipo de encapsulamiento y rendimiento del termistor en entornos agresivos
La forma en que se realiza la encapsulación del material determina el grado en que los termistores pueden resistir las exigencias de sus entornos. Con la encapsulación en vidrio, los termistores pueden funcionar de manera fiable en entornos tan calurosos como 250 grados Celsius y tan fríos como −80 grados Celsius, lo que constituye un rango de temperaturas muy amplio. Proporcionan un sellado hermético y una barrera muy completa que protege los dispositivos contra la intrusión de humedad, así como contra la intrusión química y frente a elementos físicamente destructivos. Por ello, los termistores encapsulados en vidrio se encuentran en excelentes aplicaciones, como motores automotrices, controles de hornos industriales y paquetes de baterías para vehículos eléctricos (EV). Por otro lado, los termistores encapsulados con resina epoxi, más económicos, presentan limitaciones: pueden hincharse al estar expuestos a disolventes, agrietarse si la temperatura varía más de 200 grados en un tiempo muy corto y perder su impermeabilidad iónica en condiciones húmedas o salinas. En este sentido, quienes diseñan el sensor deben considerar numerosos factores.
Resistencia química: El vidrio es resistente a los hidrocarburos y a los disolventes de limpieza; la resina epoxi puede plastificarse o deslaminarse.
Resistencia al choque térmico: El vidrio es el único material entre los dispositivos evaluados capaz de soportar ciclos repetidos por encima de 200 °C sin microfracturas.
Hermeticidad: Para la encapsulación de grado médico de sistemas electrónicos, se requiere la encapsulación en vidrio, incluidos los sistemas EV de alta tensión, donde la corriente de fuga debe ser inferior a 1 nA.
Equilibrar un rango de temperaturas extendido con la constante de tiempo térmica
Equilibrar un amplio rango de temperaturas y una rápida respuesta temporal constituye un reto considerable desde el punto de vista del diseño. Aunque los termistores de perla diminutos pueden ofrecer un tiempo de reacción del uno por ciento, generalmente se consideran poco fiables por encima de 150 grados Celsius. En el extremo opuesto, los termistores de perla de vidrio de mayor tamaño sí responden, pero únicamente tras 10 a 30 segundos. Detectar la fuga térmica (thermal runaway) en baterías representa un gran desafío, ya que se requieren tiempos de respuesta inferiores a 3 segundos a 200 grados Celsius; por ello, los fabricantes líderes están optando por diseños híbridos. En términos sencillos, combinan distintas masas térmicas y colocan termistores de respuesta rápida en la punta y termistores estables en la base. Además, el óxido de aluminio niquelado aislado de propiedad exclusiva, utilizado en muchos diseños, ofrece una mejor respuesta tanto al calor como a la electricidad. Actualmente, los sistemas «inteligentes» están diseñados para predecir el tiempo de respuesta y realizar correcciones que permitan controlar dicho tiempo.
Las investigaciones sugieren que, cuando los ingenieros prestan igual atención a la seguridad y a la velocidad, se reducen las fallas en un 34 % cuando los sistemas operan en condiciones de frío extremo. Esto indica que los tiempos de respuesta deben diseñarse para funcionar de forma segura dentro de las condiciones reales de operación, en lugar de llevarse al límite.
Fiabilidad de los termistores utilizados en el mundo real: estabilidad, deriva e inmunidad al ruido
Estabilidad a largo plazo frente a repetibilidad a corto plazo bajo condiciones de alta humedad y vibración
Al hablar de fiabilidad en condiciones adversas, es necesario distinguir entre estabilidad a largo plazo y repetibilidad a corto plazo. La estabilidad a largo plazo se refiere a qué tan lentamente, o incluso si acaso, varía la respuesta de la resistencia a lo largo de muchos años, mientras que la repetibilidad a corto plazo tiene que ver con si dicha respuesta permanece constante durante cambios rápidos de temperatura o impactos repentinos. En baterías grandes o estaciones meteorológicas equipadas con sensores NTC recubiertos de epoxi, si la deriva anual supera ± 0,1 °C (lo cual ocurre fácil y frecuentemente), el sistema experimentará retrasos y costes adicionales derivados de calibraciones frecuentes. Por otro lado, pequeñas grietas causadas por vibración mecánica pueden afectar negativamente las mediciones a corto plazo y aumentar los niveles de ruido hasta en un 15 %. Y, por supuesto, existe el efecto perjudicial y destructivo de la humedad: el recubrimiento polimérico absorbe la humedad, y cuando el equipo se expone a cambios repetidos del punto de rocío, los niveles básicos de resistencia se desplazan y los efectos de histéresis aumentan considerablemente.
Factor: Enfoque en la estabilidad a lo largo del tiempo frente a enfoque en la repetibilidad a lo largo del tiempo
Factores de estrés ambiental: envejecimiento térmico, oxidación, migración iónica; vibración mecánica, gradiente rápido de temperatura, choque mecánico
Métrica clave: Deriva (ppm/año); consistencia de la medición (desviación estándar < 0,05 °C)
Prioridad de diseño: sellado hermético (encapsulación en vidrio) y metalización estable; montaje amortiguado contra choques y fijación de terminales con baja tensión
Los termistores son altamente resistentes al ruido eléctrico gracias a su elevada resistencia de base (de 1 a 100 kiloohmios). Por este motivo, no requieren el apantallamiento electromagnético que sí necesitan dispositivos con menor resistencia, como los RTD y los termopares. Por ejemplo, considérese las granjas eólicas marinas y los sistemas avanzados de asistencia a la conducción en automóviles. Los termistores de tipo gránulo recubiertos de silicona utilizados en estos sistemas también experimentan problemas de humedad y responden en menos de 1 segundo. Esto demuestra que la selección adecuada de materiales puede ayudar a resolver los problemas de fiabilidad a los que se enfrentan los ingenieros al desarrollar equipos destinados a funcionar en condiciones extremas.
Enfoque en la aplicación práctica: Termistores NTC en la gestión térmica de baterías de vehículos eléctricos (EV)
Los termistores NTC son extremadamente útiles para supervisar las temperaturas de las baterías en los paquetes de baterías de vehículos eléctricos. El control de la temperatura debe realizarse dentro del intervalo de 15 a 35 grados Celsius, ya que las celdas de litio-ión se dañan cuando las temperaturas se encuentran fuera de estos rangos de control y existe el riesgo de sobrecalentamiento peligroso. Los sensores NTC están integrados en el interior del paquete y monitorean constantemente la resistencia de la batería mediante el sistema de gestión de baterías. Esto permite al sistema enfriar la batería. Por ejemplo, cuando la temperatura de la batería supera los 40 grados Celsius, se activa el sistema de refrigeración líquida para evitar reacciones químicas indeseadas en la batería. Sin embargo, si la temperatura de la batería cae por debajo de cero grados Celsius, se encienden los calentadores PTC con el fin de mantener el flujo de iones dentro del electrolito. Gracias al control inteligente de la temperatura, la vida útil de las baterías aumenta un 30 % en comparación con los sistemas operativos continuos, y los conductores experimentan un 15 % más de autonomía constante y eficiente. Esto ha sido probado y comprobado como verdadero en condiciones reales, en zonas de California y en los climas hostiles de Noruega, durante varios años.
Lo que hace únicos a estos sensores es su capacidad para detectar puntos calientes en cuestión de milisegundos, antes de que cualquier situación se salga de control, especialmente durante las sesiones extremas de carga rápida de corriente continua (CC) de 350 kW. Los termistores NTC poseen excelentes características, ya que son adecuados para aplicaciones exigentes, resisten entornos agresivos y resultan rentables. Por ello, siguen siendo ampliamente utilizados en numerosas industrias, no solo en vehículos eléctricos (EV), sino también en los sistemas de potencia de aeronaves y en sistemas de almacenamiento de energía a gran escala en todo el mundo.
Preguntas frecuentes
¿Por qué los termistores presentan una resistencia no lineal en los extremos térmicos?
A temperaturas inferiores a -50 grados Celsius, el movimiento de los portadores de carga queda restringido dentro del semiconductor, lo que provoca una alta resistencia. Por el contrario, a temperaturas superiores a 150 grados Celsius, la estructura interna del semiconductor se degrada, lo que ocasiona caídas impredecibles de la resistencia.
¿Cuál es el efecto del encapsulado del termistor sobre su rendimiento?
De todos los tipos de encapsulación, los termistores con encapsulación de vidrio ofrecen la mayor protección contra la humedad, los productos químicos y otros impactos físicos, por lo que destacan en entornos extremos. Aunque los termistores con encapsulación epoxi son más propensos a hincharse y agrietarse, ofrecen la menor protección contra grietas e hinchazón, ya que los termistores con encapsulación epoxi son más susceptibles a estos fenómenos.
¿Son fiables los termistores NTC en los sistemas de gestión de baterías de los vehículos eléctricos?
Sí. Los termistores NTC se utilizan en todos los sistemas de gestión de baterías de los vehículos eléctricos para todos los sistemas de gestión térmica; como resultado, prolongan la vida útil de las baterías y estabilizan su rendimiento.
