Resistencia automática: resistencias controladas por el medio ambiente

Las resistencias son uno de los componentes fundamentales utilizados en los circuitos electrónicos. Hacen una cosa: resistir el flujo de corriente eléctrica. Hay más de una forma de despellejar a un gato y hay más de una forma de funcionar una resistencia. En artículos anteriores hablé tanto de resistencias de valor fijo como de resistencias variables.

Hay otro grupo importante de resistencias variables en el que no entré: resistencias que cambian de valor sin intervención humana. Estos cambian por medios ambientales: temperatura, voltaje, luz, campos magnéticos y tensión física. Se utilizan habitualmente para la automatización y sin ellos nuestra vida sería muy diferente.

Vienen en dos tipos:

Muchos lectores de La-Tecnologia pueden estar familiarizados con los termistores NTC en las impresoras 3D, donde se utilizan para medir la temperatura del extremo caliente del extrusor. Si su impresora tiene una cama caliente, es probable que también esté monitoreada por un NTC.

Y hay muchas más aplicaciones en las que se utilizan para medir la temperatura, como en termómetros digitales, tostadoras, cafeteras, congeladores, etc.

Pero además de medir la temperatura, los termistores NTC también se utilizan para limitar la corriente. Como limitadores de corriente de entrada, limitan cualquier avalancha de corriente alta cuando se enciende un dispositivo por primera vez. Básicamente, cuando el dispositivo está encendido, el termistor todavía está relativamente frío y, por lo tanto, actúa como una alta resistencia, limitando la corriente. Con el tiempo, a medida que fluye más corriente a través del termistor, su temperatura aumenta y, por tanto, su resistencia disminuye. Eso permite que fluya más corriente a través de él, lo cual está bien ya que la corriente inicial alta termina en ese momento.

Mi única experiencia con los termistores NTC fue jugar con uno que formaba parte de un sensor automotriz. El sensor debía atornillarse en el compartimento del motor, posiblemente para medir la temperatura del refrigerante o del aceite. Por supuesto, esto no mide la temperatura directamente. En lugar de ello, se aplica un voltaje a través de él. A medida que cambia la temperatura, la resistencia cambia y también el voltaje. Luego, la computadora del vehículo usa una tabla o fórmula para asignar ese voltaje a una temperatura.

No pude encontrar la hoja de datos de la pieza del automóvil y no sabía la relación entre la temperatura del termistor y la resistencia, así que lo puse en una olla con agua en la estufa. Mientras hervía lentamente el agua, medí la temperatura del agua y la resistencia del termistor, obteniendo el cuadro que se muestra aquí.

Los termistores de coeficiente de temperatura positivo (PTC), cuya resistencia aumenta a medida que aumenta la temperatura, también tienen sus usos.

Un ejemplo es el reemplazo de un fusible. A medida que aumenta la corriente en un circuito, la temperatura del termistor aumenta debido al calentamiento resistivo normal. Este calor se pierde al entorno. Pero si la corriente es más alta de lo que debería ser, en algún momento se calentará más rápido de lo que puede perder ese calor. En ese punto la resistencia aumentará, limitando la corriente.

Con la llegada de las pantallas planas, hay cada vez menos pantallas CRT, pero algunos lectores recordarán que se utilizaron termistores PTC en los circuitos de la bobina desmagnetizadora de las pantallas. La bobina desmagnetizadora debería activarse brevemente y apagarse gradualmente. La corriente a través de la bobina crearía el campo magnético necesario para la desmagnetización y la corriente también calentaría el termistor. Al hacerlo, la resistencia del termistor aumentaría de la manera gradual deseada, reduciendo la corriente a través de la bobina hasta que el circuito se apagara.

La mayoría de las aplicaciones de los varistores son la protección contra sobretensiones, la protección de circuitos contra transitorios de red, cargas inductivas y rayos. Por lo general, se colocan a lo largo del circuito a proteger, de modo que si el voltaje aumenta lo suficiente a través de él, el varistor conducirá y actuará como un cortocircuito para la corriente, en lugar de que la corriente pase por el circuito.

Mi propia experiencia con los varistores proviene de mi época como contratista solar. Colocaríamos pararrayos en varios componentes del sistema solar: dos pararrayos para el inversor, donde un conjunto de cables iba al exterior hacia un generador y otro conjunto para las cargas en la cabaña, y un pararrayos para el controlador de carga donde Los cables llegaron hasta los paneles solares. Todos estos son tendidos de cables donde los rayos cercanos pueden inducir voltaje a niveles dañinos.

Cada uno de estos pararrayos contiene un varistor de óxido metálico (MOV). El varistor está conectado entre los cables y tierra. Mientras el voltaje sea lo suficientemente bajo, la corriente no conduce. Pero cuando cae un rayo en algún lugar cercano, el voltaje en los cables aumenta y llega a un punto en el que el varistor conduce a tierra (por ejemplo, 385 voltios). Esto evita que el voltaje aumente aún más. Mientras el componente solar pueda soportar ese voltaje, estará protegido. Con algunos estándares, el componente solar está diseñado para manejar hasta 2300 voltios donde se conectan estos cables.

La resistencia de un fotorresistor disminuye a medida que aumenta la intensidad de la luz. También puede verlo denominado LDR (resistencia dependiente de la luz). Su resistencia en la oscuridad puede ser de megaohmios, pero con las longitudes de onda correctas y la intensidad de luz suficiente, puede ser de solo unos pocos ohmios.

Los fotorresistores no son buenos para detectar cambios rápidos en la intensidad de la luz. Al pasar de la oscuridad total a la luz, puede haber un retraso de hasta 10 milisegundos antes de que la resistencia disminuya por completo. Y al pasar de la luz a la oscuridad total, la resistencia puede tardar hasta 1 segundo en aumentar hasta el rango de megaohmios. Sin embargo, hay aplicaciones en las que este retraso es deseable, como en la compresión de audio. Aquí se utiliza un panel LED o electroluminiscente para controlar la resistencia del fotorresistor y afectar la ganancia de la señal de audio. Se dice que hacerlo suena más suave al suavizar el ataque y la liberación que hacerlo sin un fotorresistor.

Otra aplicación típica es que un sensor de luz detecte si se debe encender una luz nocturna.

En mi caso, creé un comunicador láser que usaba una señal de audio para modular la salida de un láser de juguete de una tienda de un dólar. Luego apunté con ese rayo láser ahora fluctuante a un fotorresistor distante. El fotorresistor formaba parte de un circuito que alimentaba un amplificador y el resultado era la señal de audio transmitida por luz y reproducida en el altavoz del amplificador. Esto violó lo que mencioné anteriormente sobre no usarlos para cambios rápidos en la intensidad de la luz, pero funcionó bastante bien como experimento divertido.

La resistencia de una resistencia magnética se puede utilizar para detectar la posición, orientación e intensidad de un campo magnético. Utiliza el efecto magnetorresistencia. El efecto de magnetorresistencia anisotrópica (AMR), descubierto en el siglo XIX, es sensible a la intensidad del campo magnético y al ángulo entre una corriente eléctrica y el campo magnético. Hay otros efectos descubiertos más recientemente, pero la mayoría de las resistencias convencionales utilizan el efecto AMR. Los sensores magnetoresistivos construidos alrededor de estas resistencias están disponibles en Digikey y Mouser, entre otros.

Yo no he usado sensores magnetoresistivos, pero una aplicación común es como sensores de velocidad de ruedas en automóviles. Otros son la magnetometría, diversos sensores de ángulo, rotación y posición lineal, y para detectar vehículos en la carretera.

Hay muchas aplicaciones potenciales interesantes para estos sensores. En la Cumbre de Hardware Abierto de 2013, un grupo de Stanford demostró un kit de retroalimentación táctil de 1 DOF llamado Hapkit. Utilizaron un sensor magnetoresistivo para detectar la posición de un péndulo. Luego, un microcontrolador utiliza esa posición para alimentar un motor y hacer que mover el péndulo con la mano se sienta como si estuviera moviendo un resorte o una rueda de clic.

El cambio en la resistencia es muy pequeño y, por lo tanto, para ayudar en la medición, el medidor de tensión se incorpora en un puente de Wheatstone. Se podría escribir un artículo completo sobre galgas extensométricas y su uso en puentes de Wheatstone, así que a continuación se ofrece una breve descripción general.

El puente de Wheatstone consta de dos divisores de voltaje, uno de ellos R1 y R2, y el otro R3 y R4. El voltaje de entrada, llamado voltaje de excitación (VEx), se encuentra en el exterior del puente, y el voltaje de salida resultante (Vo) se toma de los centros de los dos divisores de voltaje.

La salida de voltaje, Vo, se puede calcular usando la fórmula que se muestra. Si la relación R1/R2 es igual a la relación R4/R3, al calcular Vo obtendrás 0 voltios. Pero si una de las resistencias se reemplaza con un medidor de tensión, cuando esté tensa, Vo será distinto de cero. Se pueden utilizar otras fórmulas para convertir esto a un valor en una unidad llamada realmente "deformación".

También se pueden utilizar múltiples galgas extensométricas para amplificar aún más los valores y compensar la temperatura.

Las galgas extensométricas se encuentran en células de carga y sensores de presión, ambos incorporados a menudo en los puentes de Wheatstone. Los de los sensores de presión suelen estar fabricados con silicio, polisilicio, película metálica, película gruesa o lámina adherida.

Y eso concluye esta serie sobre resistencias. Los otros dos artículos tratan sobre resistencias de valor fijo y resistencias variables que son manipuladas por intervención humana. Échales un vistazo si te los perdiste. Y háganos saber en los comentarios cualquier resistencia que nos perdimos en el camino o cualquier cosa que le gustaría agregar.