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TRANSDUCTORES RESISTIVOS Juan A. Montiel-Nelson
Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación Universidad de Las Palmas de Gran Canaria
Indice
Potenciómetros – Fundamento. • Definición de Potenciómetro. • Simbología.
– Comportamiento Dinámico y Modelo Equivalente. • Sistema de Orden Cero. • Limitaciones del Modelo.
– Materiales y Modelos Comerciales. – Análisis de Especificaciones. – Aplicaciones.
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Galgas Extensométricas. – Efecto Piezorresistivo. • Fundamento. • Relación Resistencia—Deformación. – Hilo Conductor. – Semiconductores.
– Comportamiento Dinámico y Modelo Equivalente. • Limitaciones del Modelo. – Margen Elástico. – Transmisión del Esfuerzo. – Estado Plano de Deformaciones.
– Interferencias y su Compensación. • El Efecto de la Temperatura. • El Autocalentamiento. • Las Fuerzas Termoelectromotrices.
– Materiales y Modelos Comerciales. – Cuadro de Características. – Aplicaciones Básicas. 05/10/2004
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Detectores de Temperatura Resistivos. – Fundamento. – Comportamiento Dinámico y Modelo Equivalente. • Limitaciones. – Temperatura de Fusión. – Autocalentamiento. – Deformaciones Mecánicas. – Gradientes de Temperatura. – Derivas a Temperaturas Altas.
– Ventajas. • • • •
Sensibilidad. Repetibilidad. Exactitud. Coste.
– Cuadro de Características. – Materiales y Modelos Comerciales. – Aplicaciones. • Anemometría de Hilo Caliente. 05/10/2004
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Termistores. – Fundamento. – Termistores NTC. • Características. – Variación de la Resistencia. – Sensibilidad o Coeficiente de Temperatura Equivalente. – Característica Tensión—Corriente. – Aplicaciones en Zona de Autocalentamiento. • Anemometría. • Control del Nivel de Potencia o Tensión. • Circuitos de Retardo y de Supresión de Transitorios.
– Termistores PTC. • Característica Resistencia—Temperatura. – Posistores. – Silistores.
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Termistores. – Características Dinámicas y Modelos Equivalentes. – Limitaciones. • Temperatura de Fusión. • Autocalentamiento. • Intercambiabilidad.
– Ventajas. • Estabilidad con el Tiempo y el Medio. • Sensibilidad—Resolución. • Resistividad—Inercia Térmica.
– Materiales y Modelos Comerciales. – Aplicaciones. • Calentamiento Externo. • Autocalentamiento.
– Cuadro de Características.
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Magnetorresistencias. – Fundamento del Efecto Magnetorresistivo. • Materiales Conductores. – Efecto de Segundo Orden Comparado con el Efecto Hall. • Materiales Anisótropos. – Relación Cuadrática.
– Ventajas • Versus Transductores Inductivos. – Sistema de Orden Cero. • Versus Transductores de Efecto Hall. – Sensibilidad, Margen de Temperatura y Margen de Frecuencias.
– Materiales y Modelos Comerciales.
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Magnetorresistencias. – Aplicaciones. • • • • • • •
Medida Directa de Campos Magnéticos. Registro Magnético de Audio. Lectoras de Tarjeta de Crédito. Codificación magnética. Medida de otras Magnitudes. Desplazamiento Lineales y Angulares. Medidas de Posición.
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Fotorresistencias. – Fundamento. • Conductividad Eléctrica en un Semiconductor. • Energía de la Radiación Óptica. • Anchura de Banda Prohibida en Semiconductores.
– Características Dinámicas y Modelos Equivalentes. • Característica Resitencia—Iluminación. • Constante de Tiempo de Subida y de Caída o Extinción. • Efecto de la Temperatura. – Sensibilidad a la Radiación Incidente. • Ruido Térmico.
– Materiales y Modelos Comerciales. • Respuesta Espectral. • Ruido Térmico en Materiales de Longitud de Onda Grande.
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Fotorresistencias. – Aplicaciones. • Medidas de Luz. – Control Automático de Brillo y Contraste en TV. – Control de Diafragmas en Cámaras. – Detección de Fuego. • Modificación de la Radiación Luminosa.
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Otros Transductores Resistivos: Higrómetros. – Fundamento. – Característica Humedad Relativa—Resistencia. – Materiales y Modelos Comerciales.
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Introducción
Fundamento – Variación de la resistencia eléctrica
Tecnología – Numerosas magnitudes físicas afectan al valor de la resistencia
Circuito equivalente Aplicaciones Clasificación
– De acuerdo con el tipo de magnitud física a medir • Mecánica, térmicas, magnéticas, ópticas y químicas
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Potenciómetro
Fundamento – Resistor de contacto móvil deslizante o giratorio – Sistema de orden cero • “la resistencia es proporcional al recorrido del cursor”
– Simplificaciones • La resitencia es uniforme • Contacto del cursor da una variación continua de resistencia
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Potenciómetro
Comportamiento dinámico y modelo equivalente – Sistema de Orden Cero – Limitaciones del Modelo • Si se alimenta con corriente alterna, la inductancia y capacidad deben ser despreciables • Cambio de la resistencia con la temperatura • Rozamiento del cursos y su inercia • Ruido debido a la resistencia de contacto, que alcanza valores elevados debido al polvo, humedad, oxidación y desgaste
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Potenciómetro
Circuito equivalente
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Potenciómetro
Modelos disponibles – Movimientos lineales y circulares – Potenciómetro no lineal basado en un soporte triangular
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Potenciómetro
Potenciómetro no lineal basado en un soporte triangular
RCM
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1 (l − x )(l − x )tanθ = σA 2D
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Potenciómetro
Disposiciones – Hilo conductor bobinado sobre un soporte aislante (cerámico) • Aleaciones níquel-cromo, níquel-cobre y metales preciosos • Ventajas – Coeficiente de temperatura pequeño y disipación de potencia muy elevada
– Película de carbón depositada sobre un soporte, sola o bien aglomerado con plástico
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Potenciómetro
Especificaciones de los potenciómetros para medida de desplazamientos lineales y angulares
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Potenciómetro
Resistencia de salida (circuito equivalente de Thévenin) y tensión de salida en vacío
RnαRn (1 − α ) Ro = = Rnα (1 − α ) Rnα + Rn (1 − α )
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Potenciómetro
Aplicaciones – Servosistemas de posición – En conjunción con ciertos sensores • Transductor de presión basado en un tubo de Bourdon y potenciómetro lineal
– “Los potenciómetros se aplican a la medida de desplazamientos que excedan de 1cm a 10º a fondo de escala”
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Potenciómetro
Tubos de Bourdon
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Galgas Extensométricas
Fundamento: efecto piezorresistivo – Variación de la resitencia de un conductor o semiconductor cuando es sometido a un esfuerzo mecánico – Conductor • Simple hilo metálico de longitud l, sección A y resistividad ρ
– Semiconductor • Material tipo P • Material tipo N
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Material conductor – Sometido a un esfuerzo en dirección longitudinal
l R=ρ ; A dR dρ dl dA = + − ; ρ R l A 05/10/2004
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Galgas Extensométricas
Ley de Hooke – E es el módulo de Young – σ es la tensión mecánica – ε es la deformación unitaria (1µε=10-6 m/m)
F dl σ = = Eε = E ; A l 05/10/2004
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Galgas Extensométricas
Relación esfuerzo y deformaciones
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Galgas Extensométricas
Ley de Poison – Pieza de longitud l y dimensión transversal t – µ es el coeficiente de Poison [0,0.5] • 0,17 fundición maleable • 0,303 acero • 0,33 aluminio y cobre
dt
t µ=− ; dl l 05/10/2004
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Galgas Extensométricas
Constante de Bridgman – En el caso de los metales los cambios de resistividad y de volumen son proporcionales
dρ
dV =C ; ρ V
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A=
Aplicación al hilo conductor
πD 4
2
;
dA dD dl =2 = −2 µ ; A D l
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V=
πlD
2
;
4 dV dl dD dl = +2 = (1 − 2 µ ); V l D l
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Galgas Extensométricas
Material isótropo sin rebasar el límite elástico – K es el factor de sensibilidad de galga
dR dl dl = [1 + 2µ + C (1 − 2µ )] = K ; R l l R = R0 (1 + x );
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Galgas Extensométricas
Materiales semiconductores – Tipo P
dR 2 = 119,5 + 4ε ; R
– Tipo N
dR = −110ε + 10ε 2 ; R 05/10/2004
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Galgas Extensométricas
Limitaciones – El esfuerzo aplicado no debe llevar a la galga fuera del margen elástico de deformaciones. Este no excede del 1% de la longitud de galga y va desde unos 3.000µε en semiconductoras a unos 40.000 µε para las metálicas – Transmisión total a la galga del esfuerzo – Estado plano de deformaciones • Tramos transversales de mayor sección, reduciendo la sensibilidad transversal a un valor de sólo el 1% o 2% de la longitud • Montaje de una galga impresa
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Galgas Extensométricas
Parámetros de una galga – – – – – – –
1 anchura de soporte 2 anchura de la galga 3 longitud del soporte 4 extremos ensanchados 5 longitud activa 6 longitud total de la galga 7 marcas de alineación
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Montaje de una galga impresa
– – – – – – –
1 substrato 2 adhesivo 3 galga 4 terminales 5 soldadura 6 hilos de conexión 7 aislamiento
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Galgas Extensométricas
Interferencias y su compensación – Efecto de la temperatura como fuente de interferencias • Compensación con el método de entrada opuestas • Efecto acusado en las galgas semiconductoras
– El autocalentamiento – Efecto de las fuerzas termoeléctricas como fuentes de interferencias • Detección si cambia la salida al variar la polaridad de la alimentación
– Mediciones puntuales • En la práctica las dimensiones de la galga son despreciables, y se supone que el punto de medida es el centro geométrico de la galga
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Galgas Extensométricas
Tipos y Aplicaciones – Diversos tipos de galgas metálicas y semiconductoras, con y sin soporte
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Galgas Extensométricas
Tipos y aplicaciones – Características normales de las galgas extensométricas metálicas y semiconductoras
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Galgas Extensométricas
Tipos y aplicaciones – Diversas aplicaciones de las galgas extensométricas a la medida de las magnitudes mecánicas
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Galgas Extensométricas
Aplicación singulas del efecto piezorresistivo – Medida de presiones muy elevadas (1,4GPa - 40GPa) mediante las denominadas galgas de manganina – Manganina • 84%Cu, 12%Mn, 4%Ni • Coeficiente de temperatura muy bajo
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Detectores de Temperatura Resistivo
RTD: Resistance Temperature Detector – Dado que el material empleado con mayor frecuencia para esta finalidad es el platino, se habla a veces de PRT (Platinum Resistance Thermometer)
Fundamento – En un conductor, el número de electrones disponibles para la conducción no cambia apreciablemente con la temperatura. Si aumenta la temperatura, las vibraciones de los átomos alrededor de sus posiciones de equilibrio son mayores, y así dispersan más eficazmente a los electrones, reduciendo su velocidad media • Coeficiente de temperatura positivo • Modelo matemático. Sistema de primer orden
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RTD
Limitaciones – Temperatura de fusión – Autocalentamiento – Deformaciones mecánicas, provocan un cambio en el valor de la resistencia eléctrica de un conductor – Posibilidad de gradientes de temperaturas • Módulo de Biot – Si hay gradientes: hl/k > 0,2 – Si no hay gradientes: hl/k < 0,2 – h: coeficiente de transmisión de calor – l: dimensión menor del sólido – k: conductividad térmica
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RTD
Ventajas – Sensibilidad es diez veces mayor que la de los termopares – Alta repetibilidad y exactitud para el caso del platino – Bajo coste para el caso del cobre y níquel
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RTD
Especificaciones
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RTD
Disposiciones – Modelos para inmersión en fluidos – Modelos para medición de temperaturas superficiales
Aplicación singular – Anemometría de hilo caliente • Cuando se alcanza el equilibrio
I R = khA(Th − T f ); 2
h = c +c υ;
– – – – –
Potencia disipada por efecto Joule Area de intercambio de calor 0 1 Coeficiente de convección Diferencia de temperatura entre el hilo y el fluido Factores que recogen la dependencia respecto a las dimensiones del hilo, y la densidad, viscosidad, calor específico y conductividad térmica del fluido – Velocidad del fluido
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Termistores
Fundamento – Dependencia de la resistencia de los semiconductores con la temperatura, debida a la variación del número de portadores • Al aumentar la temperatura lo hace también el número de portadores reduciéndose con ello la resistencia, y de ahí que presenten coeficiente de temperatura negativo.
Modelos – Coeficiente de temperatura positivo (PTC) – Coeficiente de temperatura negativo (NTC)
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Termistores
NTC – Modelo de un parámetro • En un margen de temperaturas muy reducido
RT = R0 e
B 1T − 1 T0
;
Variación de la resistencia de diversos termistores NTC con la temperatura 05/10/2004
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Termistores
NTC – Modelo de tres parámetros • Ecuación empírica de Steinhart y Hart – El error cometido al emplear un modelo de dos parámetros es del orden de ±0,3ºC, en el margen de 0 a 50ºC – Con tres parámetros, se logran errores de sólo ±0,01ºC, en el margen de 0 a 100ºC
RT = R0 e
A+ B + C 3 T T
;
1 3 = a + bLnRT + c(LnRT ) ; T 05/10/2004
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Termistores
NTC – Modelo de cuatro parámetros • Ecuación empírica – El error cometido es de sólo ±0,0015ºC, en el margen de 0 a 100ºC
RT = R0 e
A+ B + C 2 + D 3 T T T
;
1 2 3 = a + bLnRT + c(LnRT ) + d (LnRT ) ; T 05/10/2004
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Termistores
Característica tensióncorriente – Corrientes bajas •
Tensión proporcional a la corriente, hasta punto A
– Autocalentamiento •
Se alcanza una temperatura por encima del ambiente y cae la tensión en sus bornes, B, C, D
– Corriente máxima •
Corriente máxima no peligrosa, E
– La potencia disponible en el circuito determina el punto en el que se alcanza el régimen estacionario
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Termistores
Zona de autocalentamiento – En esta zona el termistor es sensible a cualquier efecto que altere el ritmo de disipación de calor. Esto permite aplicarlo a las medidas de caudal, nivel, conductividad calorífica – A velocidad de extracción de calor fija el termistor es sensible a la potencia eléctrica de entrada, aplicándose al control del nivel de tensión o de potencia
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Termistores
Zona de autocalentamiento
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Termistores
Característica corrientetiempo – Evolución de la corriente en el termistor a lo largo del tiempo – El autocalentamiento • está sometido a una constante de tiempo que supone un retardo entre la tensión aplicada y el instante en que se alcanza el valor de corriente estacionario
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Termistores
PTC – Característica resistenciatemperatura de un posistor • Tipo cerámico (posistor) – Presentan un cambio brusco de resistencia cuando se alcanza la temperatura de Curie • Silicio dopado – Tempsistores o silistores
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Termistores
Constante de tiempo de autocalentamiento – Retardo entre la tensión aplicada y el instante de tiempo en que se alcanza el valor de corriente estacionario • Circuitos de retardo y supresión de transitorios
Tipo de comportamiento – Tipo cerámico (Posistores) • Presentan un cambio brusco de resistencia cuando se alcanza la temperatura Curie
– Basados en silicio dopado (Tempsistores, Silistores)
Modelo matemático – Sin recubrimiento: Sistema de primer orden – Con recubrimiento: Sistema de segundo orden sobreamortiguado
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Termistores
Limitaciones – Similares a las expuestas para las RTD • Temperatura de fusión • Autocalentamiento • Deformaciones mecánicas, provocan un cambio en el valor de la resistencia eléctrica de un conductor • Posibilidad de gradientes de temperaturas – Módulo de Biot • Si hay gradientes: hl/k > 0,2 • Si no hay gradientes: hl/k < 0,2 • H: coeficiente de transmisión de calor • L: dimensión menor del sólido • K: conductividad térmica
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Termistores
Ventajas – Estabilidad del termistor con el tiempo y el medio • Envejecimiento artificial • Recubrimiento de vidrio
– Alta sensibilidad • Alta resolución en la medida de temperatura
– Utilizazión de hilos largos para su conexión • Aunque estén sometidos a cambios de temperaturas, puesto que tienen mayor resistencia y coeficiente de temperatura
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Termistores
Tipos y aplicaciones – NTC • A base de mezclar y sintetizar óxidos dopados de metales como el níquel, cobalto, manganeso, hierro y cobre
– PTC • De conmutación – A base de titanio de bario al que se añade titanio de plomo o circonio para determinar la temperatura de conmutación • De medida – A base de silicio dopado
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Termistores
Formas – Gota, Escama y Perla • Aplicaciones de medida de temperatura
– Disco, arandela y varilla • Compensación y control de temperatura y para aplicaciones con autocalentamiento
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Termistores
Características de los NTC
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Termistores
Aplicaciones – Basados en calentamiento externo del termistor • Medida, control y compensación de temperatura
– Basados en un calentamiento mediante el propio circuito de medida • Medidas de caudal, nivel y vacío (método de Pirani) y el análisis de composición de gases • Control automático de volumen y potencia • Creación de retardos de tiempo y supresión de transitorios
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Termistores
Aplicaciones de los NTC a la medida y control, de la temperatura y otras magnitudes – Medida de temperaura en un margen reducido – Compensación térmica – Control dependiendo de la temperatura – Control del nivel de líquidos – retardo
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Termistores
Aplicaciones de los NTC a la medida y control,de la temperatura y otras magnitudes – Medida de temperaura en un margen reducido, agua del radiador de automóviles – Compensación térmica. Compensar la sensibilidad no deseada de un galvanómetro de hilo de cobre a la temperatura – Control dependiendo de la temperatura – Control del nivel de líquidos – Retardo. El Relé no actúa hasta que el termistor se haya calentado lo suficiente y permita el paso de una corriente mayor que la inicial
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Termistores
Aplicaciones de las PTC de conmutación – Arranque de un motor trifásico – Desmagnetización automática en televisores a color – Supresión de arcos al abrir un interruptor
Linealización – Mediante una resistencia en paralelo • Aunque la resistencia resultante sigue sin ser lineal, en cambio su variación con la temperatura es menor que antes, por serlo el factor que multiplica dRT/dT • Pérdida de sensibilidad a costa de la linealidad ganada
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Termistores
Métodos analíticos para la elección de la resistencia R – Forzar tres puntos de paso en la curva resistencia-temperatura resultante – Forzar un punto de inflexión en la curva resistenciatemperatura que esté justo en el centro del margen de medida
Modelos NTC lineales – Incorporan una o varias resistencias en combinaciones serie y paralelo con uno o más termistores
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Magnetorresistencias
Fundamento – En la mayoría de los conductores este efecto magnetorresistivo es de segundo orden comparado con el efecto Hall – En los materiales anisótropos (ferromagnéticos), al depender su resistencia del estado de magnetización, el efecto de un campo magnético externo es más acusado
Limitaciones – Relación entre cambio de resistencia y campo magnético externos es cuadrático – Dependencia térmica
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Magnetorresistencias
Ventajas – Modelo matemático • Sistema de orden cero a diferencia de los transductores inductivos que responden a la derivada temporal de la densidad de flujo magnético
– Mayor sensibilidad, mayor margen de temperatura y mayor margen de frecuencias comparado con los transductores de efecto Hall
Materiales – Permalloy • Aleación de hierro y niquel, 20% y 80% respectivamente • Aleaciones: NiFeCo y NiFeMo
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Magnetorresistencias
Características
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Magnetorresistencias
Aplicaciones – Medida directa de campos magnéticos • Registro magnético de audio • Lectoras de tarjetas de crédito • Precios codificados magnéticamente
– Medida de otras magnitudes a través de variaciones de campo magnético • Desplazamientos lineales y angulares • Detectores de proximidad • Medida de posiciones
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Fotorresistencias
Fundamento – Se basan en la variación de la resistencia eléctrica de un semiconductor al incidir en él radiación óptica (radiación electromagnética con longitud de onda entre 1mm y 10nm) • Banda de valencia y conducción en semiconductores • Energía para producir el salto entre bandas E=hf – Efecto fotoeléctrico interno o fotoconductor – Efecto fotoeléctrico externo • Anchura de banda prohibida, en electron-voltios, y longitud de onda máxima, en micras, para diversos semiconductores intrínsecos
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Fotorresistencias
Anchura de banda prohibida
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Fotorresistencias
Relación entre la resistencia R de un fotoconductor y la iluminación E −α
R = AE ;
– A y α depende del material – E es la densidad superficial de energía recibida – Relación entre resistencia en presencia de luz y resistencia en la oscuridad muy alta, por encima de 104 – Constante de tiempo de subida al iluminar y su constante de tiempo de caída o extinción, son distintas y función tanto del material como del nivel de iluminación
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Fotorresistencias
Efecto de la temperatura – Sensibilidad a la radiación incidente – Ruido térmico
Respuesta espectral Zona
Longitud de onda
Material
Visible
0,38-0,75µm
SCd, SeCd, TeCd
Infrarrojo muy cercano
0,75-1,40µm
SPb, SePb, TePb
Infarrojo cercano
1,40-3µm
SbIn, AsIn
Infarrojo medio
3-14µm
Te, aleaciones de Te, Cd, Hg
Infarrojo lejano
Hasta 1 mm
Si, Ge dopados
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Fotorresistencias
Respuesta espectral
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Fotorresistencias
Aplicaciones – Medida de luz con poca precisión y bajo coste • • • •
Control automático de brillo y contraste en receptores de TV Control de diafragmas de cámaras fotográficas Detección de fuego Control de iluminación de vías públicas
– Empleo de la luz como radiación a modificar • Detectores de presencia y posición • Medidas de niveles de depósitos
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Higrómetros resistivos
Fundamentos – Humedad es la cantidad de agua presente en un gas o de agua absorbida o adsorbida en un líquido o un sólido – Humedad absoluta g/m3 – Humedad relativa • Relación entre la presión parcial del vapor de agua presente y la necesaria para que hubiera saturación a una temperatura dada
– Descenso de la resistividad y aumento de la constante dieléctrica al aumentar su contenido de humedad de los aislantes eléctricos
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Higrómetros resistivos
Humistor – Medida de la variación de sus resistencia
Higrómetro resistivo – Medida de la variación de capacidad
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Higrómetros resistivos
Materiales – Soluciones acuosas de una sal higroscópica depositadas sobre un substrato plástico, en forma de zigzag entre dos electrodos • ClLi, F2Ba, P2O5 sales higroscópicas
– Tratamiento químico del sustrato, sin necesidad de película higroscópica – Al2O3 variación de la capacidad
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