RESISTORES PTC

Los termistores PTC son resistencias (aumenta la temperatura, aumenta la resistividad) con un Coeficiente Temperatura Positivo y con un valor alto para dicho coeficiente. Las diferencias con las NTC son:

1. El coeficiente de temperatura de un termistor PTC  es único entre unos determinados márgenes de temperaturas. Fuera de estos márgenes, el coeficiente de temperatura es cero o negativo.
2. El valor absoluto del coeficiente de temperatura de los termistores PTC es mucho más alto que el de los termistores NTC.

Los termistores PTC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones, incluyendo limitación de corrientes, como sensor de temperatura, para desmagnetización y para la protección contra el recalentamiento de equipos tales como motores eléctricos.
También se utilizan en indicadores de nivel, para provocar retardo en circuitos, termostatos, y como resistores de compensación.

Los termistores PTC  están fabricados con BaTiO3, usando un método similar al que se utilizó en la preparación de los termistores NTC, utilizando soluciones sólidas de BaTiO3. Electrones extras son aportados al dopar el material con iones con una valencia diferente.
El uso de estos compuestos permite dos las alternativas para la preparación:

1. La sustitución de iones trivalentes tales como La 3+ o Bi 3+ 
2. La sustitución de iones pentavalentes tales como Sb 5+ o Nb 5+. 

Ambos métodos dan resultados idénticos. Si la preparación se hacia con la ausencia de oxígeno, estos semiconductores se obtenían con un bajo coeficiente de temperatura de resistencia. Un valor alto de este coeficiente se obtiene elevando rápidamente las muestras de carámica a una temperatura alta en una atmósfera rica de oxígeno. Este se logra al penetrar el oxígeno en los poros del cristal durante el periodo de enfriamiento al proceso de descarga..

Los átomos de oxígeno que se han absorbido sobre los superficies de cristal atraen a los electrones a una zona delgada del cristal semiconductor. Esto hace que se formen unas barreras de potencial eléctrico que consisten en una superficie de carga negativa con, (sobre ambos lados), capas delgadas que tienen una carga positiva (huecos), como resultado ahora, de la descompensación por el dopaje con iones. Estas barreras provocan una resistencia  extra al termistor, expuesto por la fórmula: 

Rb @=  1/a .e ^e.Vb/KT

(@ = directamente proporcional a)

donde ‘a’ representa el tamaño de los cristales, y así 1/a es el número de barreras por unidad de longitud del thermistor, y Vb representa el potencial de las barreras. Como Vb es inversamente proporcional al valor de la constante dieléctrica de los cristales, Rb es sumamente sensible a las variaciones de dicha constante dieléctrica. Tal variación en la constante dieléctrica es una propiedad especial de materiales que tienen una naturaleza ferroeléctrica como es el caso en el compuesto BaTiO3 y sus soluciones sólidas. Si por su ferroelectricidad la temperatura de Curie q es sobrepasada, la constante dieléctrica relativa disminuye con el aumento de la temperatura según la siguiente relación mostrada en la fórmula: 

e_r = C / (T - q)

donde C tiene un valor aproximado de 105 º K. Como resultado, la resistividad aumenta fuertemente al subir la temperatura de Curie q. 

Más allá de la temperatura de Curie, las barreras son débiles o no existen, debido por un lado a los altos valores de la constante dieléctrica del BaTiO3 en esas zonas, y por otro lado al resultado de la polarización espontánea de los cristales para poder compensar los intercambios de la zona de unión. Los electrones son capturados en la zona de unión y gradualmente liberados en proporción al aumento de la temperatura del termistor PTC con el respecto a su temperatura de conmutación, ocasionando una disminución de las barreras de potencial.

Esto significa que el termistor PTC pierde sus propiedades y puede comportarse eventualmente de una forma similar al termistor NTC si la temperatura llega a ser demasiado alta.

Las aplicaciones de un termistor PTC thermistor están, por lo tanto, restringidas a un determinado margen de temperaturas.

Debido al efecto producido en el cristal por la zona de unión el termistor PTC aparece una resistencia extra Rb que se puede evitar colocando un condensador en paralelo con una capacidad alta Cb. Esto nos lleva  a una dependencia de nuestra impedancia Zb con la frecuencia  hasta 5 MHz.

Características Resistencia/Temperatura 
La figura 1 muestra una comparación de típica entre las curvas características resistancia/temperatura de un termistor PTC y una NTC 

Fig. 1

Características Corriente/Voltaje
La característica estática corriente/voltaje nos muestra los limites de corriente en los que puede trabajar un termistor PTC. Se observa que hasta un determinado valor de voltaje, la característica I/V sigue la ley de Ohm, pero la la resistencia aumenta cuando la corriente que pasa por el termistor PTC  provoca un calentamiento y se alcance la temperatura de conmutación (ver Fig.2).

Fig. 2

La característica  I/V depende de la temperatura ambiente y del coeficiente de transferencia de calor con el respecto a dicha temperatura ambiente. Como puede verse en la Fig.2 las características se dibujan sobre una escala lineal, sin embargo es más común dibujarlas sobre una escala logaritmica (ver Fig.3), donde se tiene una visión más clara de su comportamiento.

Fig. 3

Es posible calcular el pico de la característica I/V si se conocen las características  R/T y el factor de disipación (D)

 El factor de disipación (mW/ºK) es la razón (a una temperatura ambiente especificada) entre la variación de la disipación de potencia en un termistor, y la variación de la temperatura en el propio cuerpo del resistor.
Por convención, el factor de disipación solo puede calcularse conociéndose el valor de pico de la curva I/V de curva, y haciendo uso del punto correspondiente sobre la característica R/T

Por definición: La potencia eléctrica inyectada al termistor PTC es:  P = R . I² donde R es la resistencia (antes de la conmutación) a Tamb. 

La potencia disipada por la cerámica viene dada por:  D = ( Ts - Tamb) donde Ts es la temperatura de conmutación y Tamb es el la temperatura ambiente, entonces:  R . I² = ( Ts - Tamb)

Recordar: Esta ecuación solamente es válida para temperaturas inferiores a Ts. 

La corriente de disparo (It) se define como la mínima corriente que puede garantizar que se provoque la conmutación del termistor, y se puede calcular utilizando la fórmula:

R . It² = D [Ts - (Tamb + t)]

donde R es la resistencia del termistor a la temperatura Ts.
Normalmente, se suma + tº C  a la Tamb para mantener un margen de seguridad en orden de asegurar la conmutación del termistor debido a posibles inexactitudes en los valores de Ts y Tamb.
La corriente de no disparo (Int) se define como la corriente máxima que  garantiza la no conmutación del termistor, y viene dado por:

R . Int² = D [Ts - (Tamb - t)]

Por lo tanto:
Un margen de seguridad de - tº C debe mantenerse para asegurar que el thermistor no conmutará.

La inclinación de la característica R/T está propiciada por una serie de parámetros de producción. La relación entre las características R/T e I/V se demuestra claramente en las figuras 4 y 5.

Fig. 4

Fig 5

Termistores PTC en serie con una carga 

Puede verse claramente a partir de la característiva  I/V que, debido a la no linealidad de la curva del termistor PTC, existen tres posibles puntos de trabajo cuando se conecta una carga RL en serie con un termistor PTC (ver Fig.6). 

Fig. 6

La característica de la carga es una línea recta que cruza partiendo del voltaje Va a la curva en tres puntos donde P1 y P2 son puntos de trabajo estables; P3 es inestable. 

Cuando aplicamos un voltaje Va alcanzaremos el equilibrio en el punto P1, punto con una corriente relativamente alta. El punto P2 sólamente puede alcanzarse cuando el pico de la curva I/V está por debajo de la línea de carga. Esto puede suceder en un determinado número de casos: 

1. Incrementando Va (ver Fig.7) 

Fig. 7

2. Al aumentar la temperatura ambiente (ver Fig.8) 

Fig. 8

 3. Al disminuir la resistencia de carga (ver Fig.9). 

Fig. 9

Puede por lo tanto verse que el termistor PTC tiene unas excelentes propiedades de protección, limitando la corriente de carga si el voltaje de suministro, la temperatura o la corriente excede de un valor crítico.

Restablecer la resistencia de la PTC 
Cuando el termistor PTC thermistor conmuta, es decir, su temperatura se eleva por encima de la temperatura de conmutación Ts, sólamente puede volver desde P2 a P1 si la línea de carga se encuentra por debajo de la curva característica I/V.
Esto significa que: 

1. O la tensión de alimentación Va disminuye (siendo constante la resistencia de carga); ver Fig.10 

Fig. 10

o 
2. La resistencia de carga aumenta (siendo constante el voltaje);ver Fig.11. 

Fig. 11

Nota: Cuando la temperatura del termistor PTC 
es mayor que Ts (es decir el termistor está en su estado de disparo), 
el termistor se calentará ocasionando un aumento de la temperatura 
ambiente (ver Fig.8). Esto debe tenerse en cuenta
cuando se calcule valor de la resistencia de carga. 

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