INFORME DE LABORATORIO: TERMOSTATO - COMPARADOR DE VENTANA (AMPLIFICADOR OPERACIONAL)
Ing. Oliverio Duran – Electrónica de potencia UPTC
Por: Luis Francisco Fajardo Siatoba Andrés Torres Marco Antonio Perico S.
Introducción
Introduction
El presente laboratorio pretende dar a conocer los procesos, pasos y requerimientos necesarios para llevar a cabo el diseño y montaje de un termostato usando amplificadores operacionales y el concepto de comparador de ventana.
The present laboratory aims to present the processes, steps and requirements necessary to carry out the design and assembly of a thermostat using operational amplifiers and the window comparator concept.
Objetivos del laboratorio
Materiales
Identificar e interpretar las partes de los amplificadores operacionales (LM358 – LM741) basándose en los conocimientos previos adquiridos. Realizar el diseño correspondiente a las conexiones del circuito teniendo en cuenta las indicaciones del docente. Ejecutar el montaje basado en el diseño realizado teniendo en cuenta parámetros de funcionalidad. funcionalidad. Incluir el diseño y el montaje correspondientes a un circuito de potencia, con el fin de manejar una tensión más elevada en el circuito. Identificar la configuración de fábrica de los elementos (sensor LM35DZ) y corregir por medio del circuito la falla de exactitud que pueda existir.
● Protoboard ● Cables de conexión ● 6 Resistencias de 1k Ω ●3 Resistencias 10 kΩ ● 2 trimmer (resistencias variables)
de 5 kΩ ●1 trimmer (resistencia variable) de
10 kΩ ●2 amplificadores LM741 ●1 amplificador LM358 ●1 sensor LM35DZ ●Fuente dual ●Multímetro ●2 relés de 5v ●2 diodos 4001 ●2 transistores 2N2222 ●2 LEDS indicadores
Marco Teórico Amplificador Operacional:
Un amplificador operacional es un dispositivo electrónico, funcional con corriente continua, el cual posee 2 entradas y 1 salida. Básicamente, con esta configuración, la salida del amplificador es, generalmente, mucho mayor que la
indicada como V+; una entrada inversora (-) la cual se identifica como V-. Idealmente, el operacional sólo amplifica la diferencia de tensión en las entradas, (tensión de entrada), dada por la siguiente ecuación: = + −
Ésta tensión de entrada diferencial también se identifica como “Ed”.
La tensión de salida del operacional, indicada como Vout, se determina mediante la siguiente ecuación: = ( + − ) = .
En donde es la ganancia del operacional en lazo abierto. Comparador de Ventana
diferencia de potencial entre sus entradas.
Un comparador de ventana, en esencia, permite determinar si una señal o nivel de tensión está dentro o fuera de un límite de voltajes previamente establecido. El papel que cumplen los amplificadores operacionales es fundamental en el comparador de ventana, puesto que uno controla el nivel de tensión superior y el otro el nivel de tensión inferior establecidos.
En las imágenes anteriores se pueden identificar los pines de conexión de los dos amplificadores operacionales utilizados en el laboratorio. El operacional posee una entrada no inversora (+) en la cual hay una tensión
En la imagen anterior se detalla gráficamente la conexión diseñada para realizar el montaje del comprador de ventana.
Procedimiento
Para poder controlar el termostato y darle un margen de funcionamiento aceptable, se diseñó el comparador de ventana para que funcionara activando un ventilador al encontrar una temperatura ambiente superior a los 50 °C y por otra parte, que activara un elemento calentador al estar la temperatura por debajo de 40 °C. En el rango intermedio, se considera como ventana de cambio aceptable en los que ningún elemento está siendo activado. Comparador
de
ventana:
pin inversor, el amplificador se satura arrojando 3 V en su salida y activando un led, que nos indicaba que el sensor detectaba una alta temperatura.
Ilustración 2
Para el montaje del siguiente paso (el encargado de activarse cuando hay baja temperatura) se invirtieron los pines de conexión, dejando la señal recibida del sensor LM35DZ en el pin Inversor, y el Ilustración 1
Como se observa en la ilustración 1, el sensor lm358 instalado a la izquierda en su pin inversor (-) se realizó una conexión directamente el sensor lm358 el cual arroja una tensión de 10 mV por cada °C. En el pin no inversor (+) se agregó luego de una resistencia de 1kΩ un trimmer de 5 kΩ con el cual, se configuró el límite superior de temperatura planeado (50 °C o 400 mV medidos con respecto a tierra). De esta manera, cuando la tensión recibida por el sensor LM35DZ en el pin no inversor es relativamente superior a la ingresada en el
trimmer de 5 kΩ en el pin no inversor.
Este proceso significó en el montaje que se saturara el amplificador cuando la tensión recibida por el sensor era menor a la configurada en el trimmer, o sea 40 °C o 400 mV con respecto a tierra. Finalmente, en el momento donde, por ejemplo, la temperatura esta en 45 °C, el sensor arrojará 450 mV, siendo un valor lo suficientemente bajo para ambos amplificadores evitando que se activen los dos, dejando sin funcionamiento elemento alguno.
Reductor de tensión para ajustar el sensor LM35DZ
En el momento de realizar la observación de la tensión arrojada por el sensor LM35DZ, se pudo deducir que la temperatura que asumía de fábrica este sensor estaba incorrecta, arrojando valores de temperatura aproximados a los 40 °C estando a una temperatura real de 19 °C. Esto generó la necesidad de agregar al diseño del circuito un reductor de tensión para que el comparador de ventana trabajara en base a los datos reales estipulados.
Como se observa en la imagen anterior, la señal del sensor se recibe en la resistencia R7 de la izquierda, pasando a un amplificador LM741 el cual, de acuerdo con el concepto de reductor (ecuación) reduce la tensión recibida a un valor considerado aceptable, pero obteniendo como resultado una tensión negativa. Para corregir esa tensión, se conectó su resultado a otro LM741 el cual tenía como función “multiplicar por -1” la tensión para obtenerla finalmente positiva. Este último amplificador tuvo como condición, que las dos resistencias sean de las mismas características. De esta manera, el sensor es intervenido y conectado a R7. La salida derecha del último 741 es la que pasa a los comparadores de ventana para desarrollar el análisis de temperatura.
Conclusiones
Se identificaron las partes y funcionamiento de los amplificadores operacionales utilizados, gracias a los conocimientos adquiridos en el aula. El amplificador operacional, además de cumplir su función de mantener los niveles de tensión que determina la ventana, evita que la tensión de salida, por más alta o baja que sea la de saturación, siga siendo la misma. Es indispensable realizar un diseño apropiado del circuito de conexiones teniendo en cuenta que sin él se imposibilita la conexión del montaje Es fundamental añadir indicadores como LEDs o el montaje de potencia para comprobar la funcionalidad del circuito, y en caso de fallas, identificar el error rápidamente. Se identificó que el sensor LM35DZ presentaba una falla de calibración de fábrica, así que fue necesario reducir la tensión que emitía, para ajustar los valores a unos relativamente reales, por medio de los amplificadores operacionales LM741, uno cumplió la función de reducir dicho valor y el otro convertía a valores positivos.