El termistor con LabVIEW

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Introducción El termistor es un componente electrónico cuya resistencia varía sensiblemente con la temperatura. Se trata de una resistencia no lineal, ya que la corriente que la atraviesa no es función lineal del voltaje. Un termistor de coeficiente negativo de temperatura (NTC) es aquel cuya resistencia disminuye a medida que la temperatura aumenta, y un termistor de coeficiente positivo de temperatura (PTC) es aquel cuya resistencia aumenta conforme aumenta la temperatura. Una ventaja de estos componentes es su alta resistencia nominal (a 25o).

Ejemplos de diferentes tipos de termistores

Objetivo Se busca que el estudiante conozca el comportamiento de un termistor, sus diferentes tipos y aplicaciones en los sistemas electrónicos.

Marco teórico Termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor se ve disminuido a medida que aumenta su temperatura. Son resistencias constituidas por un cuerpo semiconductor cuyo coeficiente de temperatura es elevado, es decir, su conductividad crece muy rápidamente con la temperatura. En su fabricación Se emplean óxidos semiconductores de níquel, zinc, cobalto, etc. Termistor PTC (Positive Temperature Coefficient) es una resistencia variable cuyo valor se ve aumentado a medida que aumenta la temperatura. Los termistores PTC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones: limitación de corriente, sensor de temperatura, desmagnetización y para la protección contra el recalentamiento de equipos tales como motores eléctricos. También se utilizan en indicadores de nivel, para provocar retardos en circuitos, como termostatos, y como resistores de compensación. LABORATORIO DE SENSORES Y ACTUADORES PRÁCTICA #3: EL TERMISTOR

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El termistor PTC pierde sus propiedades si su temperatura llega a ser demasiado. El cambio de la resistencia por cada grado de temperatura, es mucho mayor que el que ocurre en los metales. La relación resistencia-temperatura de un termistor se puede expresar mediante la siguiente ecuación:

Donde Rt es la resistencia de la temperatura t, y K y ß son constantes. Si se comparan con otros sensores de temperatura, los termistores ofrecen muchas ventajas. Son resistentes y pueden ser muy pequeños, por lo cual permiten el monitoreo de temperaturas casi en cualquier punto. Gracias a su reducido tamaño, responden muy rápido a los cambios de temperatura, pero su principal desventaja es su no linealidad.

Investigación de los termistores Los termistores, o resistores térmicos, son dispositivos semiconductores que se comportan como resistencias con un coeficiente de temperatura de resistencia alto y, generalmente negativo. En algunos casos, la resistencia de un termistor a temperatura ambiente puede disminuir hasta un 6% por cada 1ºC que se eleve la temperatura. Dada esta alta sensibilidad al cambio de temperatura hacen al termistor muy conveniente para mediciones, control y compensar con precisión la temperatura. El uso de termistores está muy difundido en tales aplicaciones, en especial en el rango más bajo de temperatura de -100ºC a 300ºC. Los termistores se componen de una mezcla sintética de óxidos de metales, como manganeso, níquel, cobalto, cobre, hierro y uranio. Su rango de resistencia va de 0.5 ohms. a 75 ohms y están disponibles en una amplia gama de formas y tamaños. Los más pequeños son cuentas con un diámetro de 0.15 mm a 1.25 mm. Las cuentas se pueden colocar dentro de una barra de vidrio para formar sondas que son más fáciles desmontar que las cuentas. Se hacen disco y arandelas presionando el material termistor en condiciones de alta presión en formas cilíndrica y plana con diámetros de 2.5 mm a 25 mm. Las arandelas se pueden apilar y conectar en serie o paralelo con el fin de incrementar la disipación de potencia. Tres características importantes del termistor lo hacen extremadamente útil en aplicaciones de medición y control: a) Resistencia-temperatura b) Voltaje-corriente c) Corriente-tiempo LABORATORIO DE SENSORES Y ACTUADORES PRÁCTICA #3: EL TERMISTOR

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Las características resistencia--temperatura de la figura muestra que un termistor tiene coeficiente de temperatura de resistencia muy elevado y negativo, lo cual lo convierte en un TRANSDUCTOR DE TEMPERATURA IDEAL. En la característica voltaje-corriente de la figura se observa que la caída de voltaje a través de un termistor aumenta con el incremento de corriente hasta que alcanza un valor pico, más allá del cual la caída de voltaje decrece con el incremento de corriente.

Listado de material Resistencia de 1k ohms y termistor. Fuente de voltaje. Protoboard. Fuente de calor. Termómetro.  Protector contra agua.     

Tarjeta utilizada

Instrucciones 1. Implementar el circuito sobre su propio protoboard para evitar daños accidentales al material del laboratorio.

Diagrama a utilizar

2. El termistor debe estar protegido contra el líquido para que no se vaya a crear un corto circuito entre las terminales del termistor, teniendo así lecturas erróneas. 3. Colocar agua dentro del envase junto con el termistor. LABORATORIO DE SENSORES Y ACTUADORES PRÁCTICA #3: EL TERMISTOR

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4. Calentar hasta que el sistema llegue a los 70 grados centígrados. 5. Apagar la fuente de calor y con el termómetro realizar las mediciones de temperatura del agua y del voltaje medido en el termistor cada 30 segundos hasta llegar a los 40 grados. 6. Realizar una gráfica de la temperatura registrada en el termistor contra el voltaje medido, y luego una gráfica de la variación del voltaje, con respecto a la temperatura registrada en el termistor. 7. Comentar acerca del comportamiento de las gráficas y determinar el tipo de termistor empleado.

Desarrollo de la práctica Para el desarrollo de esta práctica, ya teníamos un poco más de nociones acerca del entorno del NI ELVIS, así como del equipo de trabajo, a lo cual procedimos a seguir las indicaciones antes mostradas. LABORATORIO DE SENSORES Y ACTUADORES PRÁCTICA #3: EL TERMISTOR

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En primer lugar, armamos el circuito necesario para esta práctica en un protoboard, puesto que era más sencillo de poder detectar cualquier falla en la conexión, y manipularlo cómodamente, así como de evitar en la medida de lo posible cualquier accidente, ya que en esta sesión se manejaría agua como medio por el cual el termistor iba a ejercer su función me medir el voltaje en relación con la temperatura en la que se encuentre. Al principio, batallamos en encontrar la manera de conectarlo correctamente, ya que el multimetro no llegaba a arrojar resultados coherentes, a lo cual a base de prueba y error se encontró la manera de hacer las mediciones. La siguiente imagen correctamente:

muestra

la

evidencia

del

circuito

conectado

Circuito armado, con todos sus componentes y acoplado al NI ELVIS

Tal como dice la práctica el termistor empleado se aisló completamente para evitar el contacto con el agua al momento de sumergirlo.

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Termistor aislado para la práctica

Termistor empleado

Por último se calentó el agua hasta una temperatura de 70 grados Celsius, para lo cual se utilizo un termómetro de mercurio de escala 110 grados Celsius para evitar cualquier sobrecalentamiento y que un termómetro de menor escala no soportara tales medidas y se reventara, por la presión ejercida. Como fuente de calor se utilizo un horno de microondas y de recipiente un vaso para tomar café, apto para meterlo en el microondas y evitar cualquier accidente.

Toma de datos Tiempo 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630

Temperatur a (ºC) 70 69 68 67 67 66 65 65 64 64 63 63 62 62 61 61 60 60 60 59 59

Voltaje (Volts)

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Tiempo

3.32 3.336 3.347 3.368 3.379 3.389 3.419 3.438 3.46 3.481 3.504 3.521 3.541 3.561 3.58 3.6 3.62 3.635 3.652 3.67 3.69

1260 1290 1320 1350 1380 1410 1440 1470 1500 1530 1560 1590 1620 1650 1680 1710 1740 1770 1800 1830 1860 7

Temperatu ra (ºC) 52 52 51 51 50 50 50 50 49 49 49 49 49 48 48 48 48 48 47 47 47

Voltaje (Volts) 3.957 3.966 3.976 3.986 3.996 4.004 4.013 4.022 4.031 4.039 4.048 4.057 4.065 4.072 4.08 4.088 4.095 4.102 4.107 4.118 4.125

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660 690 720 750 780 810 840 870 900 930 960 990 1020 1050 1080 1110 1140 1170 1200 1230 Tiempo 2490 2520 2550 2580 2610 2640 2670 2700 2730

58 58 58 57 57 56 56 56 55 55 55 54 54 54 53 53 53 53 52 52 Temperatur a (ºC) 42 42 42 42 42 42 42 42 41

3.701 3.716 3.733 3.75 3.761 3.776 3.789 3.801 3.82 3.828 3.842 3.854 3.866 3.88 3.891 3.901 3.914 3.924 3.936 3.944 Voltaje (Volts) 4.241 4.247 4.254 4.257 4.262 4.269 4.271 4.276 4.281

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1890 1920 1950 1980 2010 2040 2070 2100 2130 2160 2190 2220 2250 2280 2310 2340 2370 2400 2430 2460 Tiempo 2760 2790 2820 2850 2880 2910 2940 2970 3000

47 46 46 46 46 45 45 45 45 45 45 44 44 44 44 44 43 43 43 43 Temperatu ra (ºC) 41 41 41 41 41 41 41 41 40

Resultados Grafica del voltaje con respecto a la temperatura del termistor:

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4.131 4.137 4.143 4.149 4.156 4.163 4.169 4.172 4.182 4.186 4.191 4.197 4.201 4.208 4.213 4.22 4.223 4.228 4.233 4.24 Voltaje (Volts) 4.284 4.29 4.291 4.296 4.3 4.305 4.309 4.313 4.32

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Voltaje vs Temperatura 5 4.8 4.6 4.4 4.2 Voltaje (volts)

4 3.8 3.6 3.4 3.2 3 35

40

45

50

55

60

65

70

75

Temperatura (grados Celsius)

La grafica nos hace ver que a mayor temperatura, la resistencia del termistor disminuye, reflejando menor voltaje, y que a menor temperatura la resistencia del termistor aumentam reflejando mayor voltaje. Esto se puede deducir gracias a la ley de Ohm: V =I∗R Donde la variable “R” hace que la función este de forma lineal, en lo cual también se aprecia en la grafica.

Grafica del cambio del voltaje (Vo/Vref) con respecto a la temperatura del termistor:

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Cambio del voltaje vs Temperatura 0.9 0.85 0.8

Voltaje (Vo/Vref)

0.75 0.7 0.65 0.6 35

40

45

50

55

60

65

70

75

Temperatura (grados Celsius)

Con esta figura, se aprecia que el cambio de voltaje con respecto a la temperatura tiende a formar la misma grafica anterior, solo que con diferente escala, en la cual se aprecia también el rango en el cual oscila el voltaje del termistor desde 40 grados a 70 grados Celsius.

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Ejercicio opcional: termistor y LabVIEW Es posible obtener datos por medio de una tarjeta conectada a una PC, para así fácilmente realizar cálculos con ellos. Si se utiliza un potenciómetro y una tarjeta de adquisición de datos idónea, es posible construir un programa en la PC que muestre un cálculo de la posición angular del potenciómetro.

Objetivo  Que el estudiante se familiarice con el software de los laboratorios y que sepa como manipular los datos que pueda adquirir, además de utilizar el software LabVIEW.  Hacer un programa en LabVIEW que nos permita asociar el voltaje medido, con la temperatura real de un sistema.

Marco teórico LabVIEW es una herramienta gráfica de prueba, control y diseño mediante la programación. El lenguaje utilizado se llama lenguaje G. Este programa fue creado por National Instruments en 1976. Los programas hechos con LabVIEW se llaman VI (Virtual Instrument), lo que da una idea de uno de sus principales usos: el control de instrumentos. Utilizaremos el ELVIS como una DAQ para conectar los valores del voltaje medidos en el potenciómetro y una computadora, para luego poder programar con LabVIEW y utilizar esos datos de entrada.

Principales controles utilizados

1. Sirve para especificar el dispositivo donde se encuentra la DAQ, en este caso es el NI ELVIS, el cual es llamado Dev1 por el software. 2. Indica el valor de un índice específico de un arreglo. 3. Condición de espera, dentro de un ciclo WHILE sirve para que este ciclo se repita dentro de un valor de milisegundos, el cual debe ser especificado por una constante (ver 13). LABORATORIO DE SENSORES Y ACTUADORES PRÁCTICA #3: EL TERMISTOR

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4. Indicador visual en forma de termómetro, en este caso, el tipo de variable es I16. 5. Botón de paro, ubicado en el panel frontal. Sirve para darle una entrada booleana al comando STOP del ciclo WHILE. 6. Indicador de tipo DBL doble. Al darle click derecho sobre este indicador podemos elegir si este será un control, una constante o el propio indicador. 7. Función matemática de la multiplicación, posee 2 nodos de entrada y uno de salida. 8. Configuración del Sub-VI DMM, aquí se selecciona el tipo de medición (ver 13). 9. Devuelve la lectura digital medida del Sub-VI DMM, como un arreglo, se le debe especificar la función que debe realizar (ver 14). 10. Inicializador del Sub-VI DMM. 11. Cierra el Sub-VI DMM. 12. Constante del sistema, esta sirve para dar un número específico de referencia, puede ser usado en la función de multiplicación o en la función WAIT. 13. Tipo de medición del Sub-VI DMM. 14. Ciclo WHILE, esta función repite el sub diagrama que se encuentra en su interior hasta que la condición de paro es cumplida, el cual puede ser un valor booleano, controlado por un botón (ver 10.) en el panel frontal del instrumento virtual (VI) o creado por un error en el sistema. La terminal i determina el número de veces que se ha repetido el ciclo. 15. Nodo de formula. Evalúa formulas matemáticas de forma similar al lenguaje C, para determinar las variables de entrada o salida se debe dar click derecho en el marco del nodo de formula y luego seleccionar añadir entrada o salida según se desee. Modelo de una recta: defi nición La recta es la línea más corta que une dos puntos. La pendiente de una recta indica el desplazamiento de la recta en el eje X por cada unidad desplazada en el eje Y, esta es calculada tomando dos puntos cualquiera de ella y haciendo una relación entre el cambio de las coordenadas entre esos puntos, la pendiente se mantiene constante.

 Ecuación de la recta Para esta fórmula se debe de conocer su pendiente y las coordenadas de uno de sus puntos. En una formula más general la ecuación está dada como: y = mx + b Donde: b es el valor respecto al eje Y cuando la recta intercepta a ese eje. m es la pendiente de la recta. Para poder realizar la práctica, se utilizan los valores adquiridos en la práctica #3. Primero se obtendrá la pendiente, la cual será constante en nuestro termómetro, lo que se busca es que al emplear la tarjeta de adquisición de datos, usando la sección del Multímetro Digital para medir el voltaje obtenido, el programa calcule la temperatura actual del termistor. Para obtener la pendiente usaremos el último y el primer dato de la tabla voltaje/temperatura y los sustituiremos en la formula, quedando: LABORATORIO DE SENSORES Y ACTUADORES PRÁCTICA #3: EL TERMISTOR

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Una vez que obtenemos la pendiente se colocan los datos en el programa desarrollado en el software LabVIEW. Donde el valor obtenido en el Multímetro Digital será considerado como la variable “y” en la ecuación de la pendiente.

Quedando la siguiente fórmula:

De este modo se puede obtener una ecuación lineal que muestre la temperatura a la que se debe encuentra el termistor.

Lista de material  Tarjeta del Termistor.  NI ELVIS.  Software LabVIEW.

Instrucciones En esta práctica se usara el termistor de la misma manera que lo hicimos en la práctica #3, pero ahora en lugar de medir el voltaje regulado con un vólmetro, se hará mediante una tarjeta DAQ. La tarjeta DAQ de esta práctica será el NI ELVIS y este se conecta a la PC, para luego poder manipular esa información con el software LabVIEW y obtener un programa que nos ayude a interpretar la información del sistema. 1. Calibrar el multímetro virtual del NI ELVIS, para lo cual haremos lo siguiente; a. Desconectar cualquier cosa que este sobre el protoboard del NI ELVIS. b. Unir con un cable los puertos Voltage HI y Voltage LOW del DMM ubicados en la parte inferior izquierda del protoboard del NI ELVIS. c. Encender el NI ELVIS e inicializar el programa de National Intruments para el NI ELVIS. d. Seleccionar el modulo de Digital Multimeter. e. Presionar el botón de NULL. f. Retirar el cableado de los puertos Voltage HI y Voltage LOW. g. Apagar el NI ELVIS. 2. Colocar la tarjeta del termistor sobre el protoboard. 3. Abrir el documento Prac2.VI. 4. Sin prender el NI ELVIS, conectar la tarjeta según muestra la figura 3.5, siendo Vo el voltaje de salida a medir y conectándolo al NI ELVIS en el pin de Voltage HI. LABORATORIO DE SENSORES Y ACTUADORES PRÁCTICA #3: EL TERMISTOR

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5. Acomodar los iconos del archivo de forma que se puedan realizar fácilmente las conexiones mostradas en la fig. 3.6, se debe tener en cuenta que hay que añadir ciertos valores constantes a funciones como WAIT y la función de multiplicar. 6. Realizar conexiones virtuales. 7. Dentro del ciclo WHILE, el sub programa DMM READ mide el voltaje registrado en el termistor, luego este valor entra un nodo de fórmula, el cual a través de la gráfica obtenida en la primera parte de la práctica, calcula la temperatura teórica en el sistema. Este valor es enviado al indicador, el ciclo WHILE termina cuando el botón de paro es oprimido. 8. Determinar por medio de constantes (int) el tiempo de espera dentro del ciclo, la fórmula utilizada en el nodo de formula que describirá el comportamiento de la gráfica de la primera parte de la práctica. 9. Diseñar el panel frontal de manera que podamos ver la temperatura teórica del sistema, un indicador visual de la temperatura, y el botón de paro (stop). 10. Comparar los datos obtenidos en esta práctica con los que obtuvieron en la práctica #3, y anotar si el programa medido funcionó con exactitud.

Desarrollo de la práctica Para el desarrollo de esta práctica opcional, se realizo primeramente la calibración del multimetro digital del NI ELVIS, presionando el botón NULL, cerciorándose de que no estuviera nada conectado al sobre la parte superior del protoboard para evitar errores.

Más tarde se monto sobre el NI ELVIS el circuito armado anteriormente en la primera parte de esta práctica, conectando correctamente los dispositivos para una lectura eficiente del multimetro digital.

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Circuito montado sobre el NI ELVIS

Posteriormente se abrió el programa que venía acompañado con la carpeta del PDF de esta práctica, en la cual se aprecio el siguiente diagrama de bloques, así como los instrumentos virtuales:

Después de darle valores al diagrama de bloques, como la constante del termistor, o el “wait”, se pudo obtener una salida de voltaje, con un valor teórico de temperatura, como se muestra a continuación:

Diagrama de bloques del programa

Diagrama de bloques del programa

Instrumentos virtuales

Resultados Tiempo

Temperatur a (ºC)

Voltaje (Volts)

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Tiempo

15

Temperatu ra (ºC)

Voltaje (Volts)

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30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Tiempo 690 720 750 780 810 840 870 900 930 960 990 1020 1050 1080 1110 1140 1170 1200 1230 1260 1290 1320 1350 1380 1410 1440 1470 1500 1530 1560 1590 1620 1650 1680 1710

70 69 68 67 67 66 65 65 64 64 63 Temperatur a (ºC) 58 58 57 57 56 56 56 55 55 55 54 54 54 53 53 53 53 52 52 52 52 51 51 50 50 50 50 49 49 49 49 49 48 48 48

3.40 3.335 3.349 3.368 3.383 3.389 3.425 3.438 3.46 3.495 3.504 Voltaje (Volts) 3.716 3.733 3.75 3.761 3.776 3.789 3.815 3.82 3.828 3.842 3.857 3.866 3.870 3.891 3.907 3.914 3.924 3.938 3.944 3.957 3.966 3.980 3.986 3.996 4.004 4.013 4.022 4.031 4.043 4.048 4.057 4.065 4.077 4.08 4.088

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FACULTAD DE

360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 Tiempo 1860 1890 1920 1950 1980 2010 2040 2070 2100 2130 2160 2190 2220 2250 2280 2310 2340 2370 2400 2430 2460 2490 2520 2550 2580 2610 2640 2670 2700 2730 2760 2790 2820 2850 2880 16

63 62 62 61 61 60 60 60 59 59 58 Temperatu ra (ºC) 47 47 46 46 46 46 45 45 45 45 45 45 44 44 44 44 44 43 43 43 43 42 42 42 42 42 42 42 42 41 41 41 41 41 41

3.533 3.541 3.573 3.58 3.6 3.62 3.642 3.652 3.67 3.69 3.701 Voltaje (Volts) 4.125 4.134 4.137 4.145 4.149 4.156 4.165 4.169 4.172 4.182 4.186 4.191 4.197 4.201 4.208 4.213 4.22 4.223 4.228 4.233 4.24 4.245 4.247 4.254 4.257 4.262 4.270 4.271 4.276 4.281 4.284 4.29 4.291 4.296 4.3

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1740 1770 1800 1830

48 48 47 47

FACULTAD DE

4.095 4.102 4.107 4.118

2910 2940 2970 3000

41 41 41 40

4.305 4.309 4.313 4.32

Como se puede apreciar, los valores de esta toma de datos son muy parecidos a los que se tomaron en el multimetro, por lo tanto sus graficas serán muy parecidas. El programa pudo haber variado por decimales, pero en general, fue muy certero, con el cual se comprueba su fiabilidad.

Conclusiones Se concluye de esta manera que el estudiante que realiza esta práctica cumple el objetivo de mirar ambas tomas de resultados, una de la manera tradicional, y otra por medio de programación de LabVIEW. Uno llega a tomar más confianza al poder manejar correctamente el equipo de laboratorio, y se llega a adquirir la experiencia necesaria para seguir trabajando en las demás prácticas. Cabe mencionar que se comprobó el uso del termistor, así como las implicaciones matemáticas que conlleva, como la constante a la que está sometido, que es posible sacarla, por medio de las formulas mencionadas en el marco teórico. Por otro lado al investigar con otros compañeros que realizaron la practica con materiales diferente, se puede ver que tanto la grafica como los resultados varían, ya que la constante es diferente. Así mismo se mejoro en el aspecto de la pericia al momento de utilizar los instrumentos de laboratorio, como el NI ELVIS, ya que gracias a ello se logro obtener resultados similares, entre la primera parte y la segunda parte, implicando el uso del LabVIEW. Evidencia de trabajo:

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Bibliografía http://proton.ucting.udg.mx/temas/control/memo/MEMO.html http://ayudaelectronica.com/que-es-un-termistor/ http://labmtc.fime.uanl.mx/ http://es.wikipedia.org/wiki/Termistor

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