Los termistores y termopares. Tipos y problemas comunes

Las impresoras 3D FFF pueden emplear distintos tipos de sensor de temperatura, siendo los más comunes los termistores NTC, los termopares y las sondas PT100.

Termistores NTC

Los termistores son el sensor más común, económico y sencillo de implementar, ya que se conecta directamente a la placa de la impresora. Se trata de un elemento que varía su resistencia eléctrica en función de la temperatura, por lo que la impresora debe tener preconfigurada en su firmware la tabla RT (resistencia frente a temperatura) del modelo concreto que se esté usando. Si se quiere sustituir un termistor por otro modelo diferente, es imprescindible modificar el firmware de la impresora incluyendo la tabla RT específica del nuevo modelo, de lo contrario, las medidas de temperatura serán erróneas. En el caso de no poder modificar el firmware de la impresora, es imprescindible sustituir siempre el termistor por otro idéntico. Entre sus principales desventajas están el no proporcionar una respuesta lineal y no ser aptos generalmente para altas temperaturas (superiores a 300 ºC).

Imagen 1: Termistor NTC. Fuente: Filament2print

Las principales causas de problemas en los termistores son dos:

• Una mala configuración de parámetros en el firmware: Como se comentaba anteriormente es imprescindible que el firmware de la impresora tenga configurados los valores RT específicos de un modelo concreto de termistor para poder convertir de forma precisa los valores de resistencia medidos en valores reales de temperatura. Todos los fabricantes de termistores facilitan los datos RT propios de cada modelo, además, los firmware como Marlin o RepRap FW incluyen las tablas RT de los modelos más comunes.

• Mal estado de los cables o conexiones: Un cable en mal estado, una mala conexión o una longitud excesiva de cable, pueden aumentar la resistencia medida por la placa, resultando en lecturas erróneas de temperatura. Es imprescindible revisar periódicamente el estado de los cables del termistor, así como de las conexiones. El termistor se debe conectar directamente a la placa, evitando emplear empates o fichas de conexión y empleando la mínima longitud necesaria. En el caso de montar conectores rápidos, estos deben ser de la mayor calidad posible y estar crimpados correctamente. Para determinar si un termistor está instalado correctamente, la mejor forma es medir la resistencia en el conector de la placa con un multímetro y ver si es la misma especificada en la tabla RT a 25 ºC.

Termopares

Están compuestos por una unión bimetálica que varía su conductividad en función de la temperatura. Existen varios tipos, siendo los tipo K los más habituales en impresión 3D debido al amplio rango de temperatura que abarcan (-200 ºC - 1400 ºC). Son muy económicos e intercambiables, sin embargo poseen dos limitaciones importantes:

• Tienen una precisión muy baja (superior al ºC)

• Requieren instalar placas de amplificación para poder usarse.

Hasta hace poco eran la solución más habitual en impresoras 3D de alta temperatura, sin embargo han sido desplazadas por otras tecnologías como los termistores de alta temperatura o las sondas PT100.

Imagen 2: Termopar tipo K. Fuente: RS Componentes

Las principales causas de problemas son:

• Mal estado de los cables o conexiones: Al igual que los termistores, la temperatura se determina midiendo la resistencia del termopar, por lo que defectos en el cableado o conectores provocan medidas erróneas de temperatura.

• Ruido eléctrico: Los termopares son sensibles al ruido eléctrico, por lo que la aparición de este en el circuito altera las mediciones.

Sondas RTD

Similares a los termistores NTC, están compuestos por un metal que varía su resistencia eléctrica con la temperatura. A diferencia de los termistores NTC donde la resistencia disminuye con la temperatura, en las sondas RTD ésta aumenta. Esto hace que puedan medir con precisión temperaturas mucho mayores que los termistores, de hasta 600 ºC. A pesar de que presentan muy buena precisión en un gran rango de temperaturas, tienen el inconveniente de que su coste es más elevado y que, al igual que los termopares, requieren de electrónica adicional, lo aumenta aún más su coste y complica su instalación. El tipo de sonda RTD más común es la conocida sonda PT100.

Imagen 3: Sonda PT100 con placa de amplificación. Fuente: E3D

En general presentan menos problemas que los termistores NTC y que los termopares, sin embargo, al igual que en los casos anteriores es importante revisar el estado de los cables y conectores, ya que su funcionamiento también se basa en la lectura de resistencia eléctrica.

Problemas relacionados con la temperatura

En muchas ocasiones los problemas de temperatura no están relacionados con el sensor en sí, sino con el modelo de control de temperatura y los ajustes de seguridad de la impresora. Para controlar la temperatura, las impresoras 3D FFF emplean un modelo basado en frecuencia de pulsos conocido como PID. Los coeficientes de este modelo determinan la frecuencia de pulsos necesaria para conseguir mayor o menor velocidad de calentamiento, por lo que una configuración correcta de estos parámetros es imprescindible para lograr un control de temperatura preciso. Es por esto que la mayoría de impresoras 3D incorporan una función llamada calibración PID, que lo que hace es determinar estos parámetros de forma automática. Es recomendable realizar periódicamente esta calibración.

Además, es habitual que las impresoras 3D implementen algoritmos de seguridad que desactivan el calentamiento cuando las velocidades de calentamiento o las temperaturas alcanzadas no se corresponden con las del modelo. En estos caso es frecuente la aparición de errores de temperatura. Cuando aparecen, se debe revisar lo siguiente:

• El estado de los sensores de temperatura

• El rendimiento térmico del hotend

• Que el ventilador de capa no esté orientado al bloque calefactor y lo refrigere.

• Que el bloque calefactor no esté en contacto con el disipador del hotend.

• Realizar una calibración PID.

Nota:  En esta guía se tratan los conceptos de forma general y sin enfocarse en una marca o modelo concreto, aunque se puedan mencionar en algún momento. Pueden existir diferencias importantes en los procedimientos de calibración o ajuste entre diferentes marcas y modelos, por lo que se recomienda consultar el manual del fabricante antes de leer esta guía.