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Escuela Técnica Superior de Ingenieros de TelecomunicaciónUniversidad de Las Palmas de Gran Canaria
TRANSDUCTORESRESISTIVOS
Juan A. Montiel-Nelson
05/10/2004 Transductores Resistivos 2
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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IndiceGalgas 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.
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Indice
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.
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Indice
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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Indice
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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Indice
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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Indice
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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Indice
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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Indice
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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Indice
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 equivalenteAplicacionesClasificación– 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
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
( )( )Dtanxlxl
ARCM 2
1 θσ
−−=
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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
( )( ) ( )αα
αααα
−=−+−
= 111
nnn
nno R
RRRRR
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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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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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Galgas Extensométricas
Material conductor – Sometido a un esfuerzo en dirección longitudinal
;
;
AdA
ldld
RdR
AlR
−+=
=
ρρ
ρ
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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)
;ldlEE
AF
=== εσ
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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
;l
dlt
dt−=µ
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Galgas Extensométricas
Constante de Bridgman– En el caso de los metales los cambios de resistividad y de
volumen son proporcionales
;VdVCd
=ρρ
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Galgas Extensométricas
Aplicación al hilo conductor
;22
;4
2
ldl
DdD
AdA
DA
µ
π
−==
=
( );212
;4
2
µ
π
−=+=
=
ldl
DdD
ldl
VdV
lDV
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Galgas Extensométricas
Material isótropo sin rebasar el límite elástico– K es el factor de sensibilidad de galga
( )[ ]( );1
;2121
0 xRRldlKC
ldl
RdR
+=
=−++= µµ
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Galgas Extensométricas
Materiales semiconductores– Tipo P
– Tipo N
;45,119 2ε+=RdR
;10110 2εε +−=RdR
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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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Galgas Extensométricas
Montaje de una galga impresa
– 1 substrato – 2 adhesivo– 3 galga– 4 terminales– 5 soldadura– 6 hilos de conexión– 7 aislamiento
05/10/2004 Transductores Resistivos 35
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 (PlatinumResistance 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
Disposiciones– Modelos para inmersión en fluidos– Modelos para medición de temperaturas superficiales
Aplicación singular– Anemometría de hilo caliente
• Cuando se alcanza el equilibrio– Potencia disipada por efecto Joule– Area de intercambio de calor– 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
( );
;
10
2
υcch
TTkhARI fh
+=
−=
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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
;0
11
0
−
= TTB
T eRR
Variación de la resistencia de diversos termistores NTC con la temperatura
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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
( ) ;1;
3
03
TT
TC
TBA
T
LnRcbLnRaT
eRR
++=
=++
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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
( ) ( ) ;1;
32
032
TTT
TD
TC
TBA
T
LnRdLnRcbLnRaT
eRR
+++=
=+++
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Termistores
Característica tensión-corriente– 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 alas 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
Característica corriente-tiempo– 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 resistencia-
temperatura 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 elníquel, 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
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 resistencia-
temperatura 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
05/10/2004 Transductores Resistivos 65
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
05/10/2004 Transductores Resistivos 66
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
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
Relación entre la resistencia R de un fotoconductor y la iluminación E– 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
;α−= AER
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Fotorresistencias
Efecto de la temperatura– Sensibilidad a la radiación incidente– Ruido térmico
Respuesta espectral
Si, Ge dopadosHasta 1 mmInfarrojo lejano
Te, aleaciones de Te, Cd, Hg
3-14µmInfarrojo medio
SbIn, AsIn1,40-3µmInfarrojo cercano
SPb, SePb, TePb0,75-1,40µmInfrarrojo muy cercano
SCd, SeCd, TeCd0,38-0,75µmVisible
MaterialLongitud de ondaZona
05/10/2004 Transductores Resistivos 74
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
05/10/2004 Transductores Resistivos 76
Higrómetros resistivos
Humistor– Medida de la variación de sus
resistenciaHigrómetro 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