Termómetro Analógico.

República Bolivariana De Venezuela. La Universidad Del Zulia. Facultad de Ingeniería. Escuela de Ingeniería Eléctrica. Departamento de Electrónica. Asignatura: Proyectos De Electrónica Analógica.

“TERMÓMETRO ANALÓGICO CON LM35”.

Profesor: Francisco Parra. Sección: 001. Realizado por: Jaliesis Piña. Andreina Pernia. Christian Suarez. Maracaibo, 22 de Octubre de 2013.

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ÍNDICE GENERAL.  INTRODUCCIÓN.  OBJETIVOS.  MATERIALES & EQUIPOS.  INFORMACIÓN PRELIMINAR.  PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.  CONCLUSIONES.  BIBLIOGRAFÍA.

Maracaibo, 22 de Octubre de 2013.

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ÍNDICE ESPECÍFICO.  INTRODUCCIÓN.  OBJETIVOS.  Objetivos Generales.  Objetivos Específicos.  MATERIALES & EQUIPOS.  INFORMACIÓN PRELIMINAR. 1) El Sensor de Temperatura LM35. 2) Funcionamiento del termómetro analógico.  PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.  I PARTE: CÁLCULOS, MEDICIONES Y SIMULACIONES.  II PARTE: TABLAS.  III PARTE: ANÁLISIS DE RESULTADOS.  CONCLUSIONES.  BIBLIOGRAFÍA.


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INTRODUCCIÓN. En el presente informe de laboratorio se explicará detalladamente el diseño y la construcción de un termómetro analógico, a partir del uso de 4 amplificadores operacionales como comparadores y un sensor de temperatura, por ejemplo el LM35 el cual emite una señal del voltaje en el orden de los mili voltios. Éste dispositivo será expuesto a calor con un cautín, en el que se visualizaran los resultados de sus tensiones, con la ayuda de 4 diodos leds a partir de la variación de la temperatura. Este termómetro mide temperaturas hasta 40ºc, pero con una pequeña reforma puede medir hasta 60ºc sin problemas ya que el sensor está diseñado para soportar temperaturas hasta los 150ºc. Existen diversas formas de censar temperaturas en el ámbito industrial tales como termocuplas, termo resistores, diodos zener, sensores integrados, etc. La elección del dispositivo sensor dependerá en gran medida de los rangos de temperaturas y luego la linealidad del sensor, desembocando en el sensor de temperatura LM35.


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INFORMACIÓN PRELIMINAR: 1) Amplificadores Operacionales: El amplificador operacional constituye el bloque básico de los circuitos de amplificación. En la figura se muestra el símbolo y la relación entre la entrada y la salida en un amplificador operacional.

Figura 1: Características del amplificador operacional.

Las características estáticas principales de un amplificador operacional son: a) Ganancia de lazo abierta elevada del orden de 10 5, que disminuye con la frecuencia. El producto ganancia-frecuencia es típicamente de 105 a 108 Hz. b) Alta impedancia de entrada en el orden de 106  para amplificadores operacionales construidos a base de transistores bipolares y 1012  para los de transistores FET. c) Si V- = V+, Vo no es cero, sino que tiene un pequeño valor que se le conoce como voltaje de desviación cero (voltaje offset), el cual se debe a potenciales y corrientes internas del amplificador operacional que se encuentran desbalanceados. d) Los terminales de entrada V- y V+, tienen corrientes de polarización externas diferentes que pueden producir desviación en el voltaje de salida Vo si las impedancias externas al amplificador son diferentes. e) Los voltajes de desviación internos y las corrientes de polarización son generalmente funciones de la temperatura, por lo que se hace necesario referirse a las hojas del fabricante para estimar cual va a ser la variación de las entradas y salidas, a partir de la información que se tenga sobre la variación de la temperatura. f) La corriente de salida está típicamente limitada a 10 mA para  10 voltios. Circuitos Amplificadores Básicos: En la figura 2 se muestran los circuitos amplificadores realimentados más comunes. Identificado con la letra a se tiene al amplificador inversor, el mismo se caracteriza por presentar una ganancia de lazo cerrado que viene dada por las relaciones:


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Para valores grandes de ganancia de lazo abierto A se llega a la expresión aproximada y más comúnmente usada del amplificador inversor G = -R2/R1. La señal de entrada se conecta al terminal inversor del amplificador operacional. En este amplificador la salida está desfasada 180° con la entrada. Para mínimo error de voltaje de desviación R 3 = R1//R2.

Figura 2: Diferentes configuraciones del AMP-OP.

En el amplificador no inversor, la señal de entrada se aplica al terminal no inversor del amplificador. La ganancia de lazo cerrado viene dada por:

Para valores grandes de A se llega a la relación aproximada más comúnmente usada G = (R1+R2)/R1. En el amplificador no inversor la salida está en fase con la entrada. Para mínimo error de voltaje de desviación, R1//R2 = R, siendo R la resistencia de salida de la señal de alimentación conectada a la entrada no inversora. El amplificador diferencial está diseñado para trabajar con voltajes en modo diferencial. Este circuito amplificador constituye la base para el amplificador de instrumentación que se analizará posteriormente. El voltaje de salida V O en función de los voltajes V1 y V2 viene dado por:


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Para el caso especial donde R1 = R3 y R2 = R4 se tiene: G = R2/R1; siendo G la ganancia de lazo cerrado Para mínimo error de voltaje de desviación R1//R2 = R3//R4. Otro circuito amplificador muy usado es el seguidor de voltaje o también llamado buffer de ganancia unitaria. Este circuito amplificador es muy útil para acoplar las señales provenientes de los sensores, ya que presenta una alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida. Su circuito se muestra en la figura.

Figura 3: Amplificador Buffer.

La relación entre el voltaje de salida VO y el voltaje de entrada V1 es:

Características dinámicas del amplificador en lazo cerrado: 1- El producto ancho de banda-ganancia, el cual se define como el producto de la ganancia de lazo cerrado por la banda de frecuencias, sobre el cual la ganancia se mantiene aproximadamente constante. El mismo se determina sobre la curva de ganancia de lazo abierto vs frecuencia del amplificador operacional. La frecuencia de esquina del amplificador realimentado se obtiene interceptando el valor de ganancia de lazo cerrado con la recta de pendiente negativa en la curva de lazo abierto del amplificador operacional como se muestra en la figura 4.


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Figura 4: Curva de Lazo.

2- El tiempo de estabilización (settling time) de un amplificador es el tiempo requerido para que la salida permanezca dentro de una banda de error especificada de su valor final, después que una entrada escalón es aplicada a su entrada. El tiempo de estabilización está limitado por el ancho de banda del amplificador en lazo cerrado. Composición interna Opm-Op 741: Valor ideal

Parámetro

Valor real

Zi

∞

10 TΩ

Zo

0

100 Ω

Bw

∞

1 MHz

Av

∞

100.000

Ac

0

Figura 5: Composición interna del AMP-OP.


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2) El sensor de temperatura LM35: El LM35 es un sensor de temperatura con una precisión calibrada de 1ºC. Puede medir temperaturas en el rango que abarca desde -55º a + 150ºC. La salida es muy lineal y cada grado centígrado equivale a 10 mV en la salida. Sus características más relevantes son:      

Precisión de ~1,5ºC (peor caso), 0.5ºC garantizadose 25ºC. No linealidad de ~0,5ºC (peor caso). Baja corriente de alimentación (60uA). Amplio rango de funcionamiento (desde -55º a + 150ºC). Bajo costo. Baja impedancia de salida.

Su tensión de salida es proporcional a la temperatura, en la escala Celsius. No necesita calibración externa y es de bajo costo. Funciona en el rango de alimentación comprendido entre 4 y 30 voltios. Como ventaja adicional, el LM35 [1] no requiere de circuitos adicionales para su calibración externa cuando se desea obtener una precisión del orden de ±0.25 ºC a temperatura ambiente, y ±0.75 ºC en un rango de temperatura desde 55 a 150 ºC. La baja impedancia de salida, su salida lineal y su precisa calibración inherente hace posible una fácil instalación en un circuito de control. Debido a su baja corriente de alimentación (60uA), se produce un efecto de autocalentamiento reducido menos de en situación de aire estacionario.

Figura 6: Diferentes Presentaciones del LM35.


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OBJETIVOS. Objetivo General:  Diseñar un termómetro analógico a partir de amplificadores operacionales y un censor de temperatura.  Comprobar el correcto funcionamiento de este dispositivo. Objetivos Específicos:  Diseñar y montar un termómetro analógico a partir de amplificadores operacionales y un censor de temperatura.  Verificar que todos los leds enciendan, aumentando la temperatura del sensor con la punta de un cautín caliente, haciendo una prueba simple antes de tomar medicines. (Esto además de ser un objetivo, es una recomendación).  Medir las tensiones en el sensor LM35, a medida que se encienden los leds.  Determinar las diferentes temperaturas en el sensor LM35 a partir de sus tensiones, en cada instante que encienden los leds.


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MATERIALES & EQUIPOS. Materiales para el montaje del termómetro analógico:          

4 Amplificadores Operacionales (UA741CN). 1 Sensor de Temperatura LM35. 4 Leds Rojos (Pueden ser de cualquier color o diferentes entre ellos). 1 Resistencia de 4,5kΩ. 3 Resistencias de 100Ω. 1 Resistencia de 300Ω. 4 Resistencias de 1kΩ. 1 Protoboard. Conectores con puntas de caimán. Conectores (cable telefónico Nº 20 ó 22 preferiblemente) para Protoboard.

Equipos:  1 Fuente de alimentación dual regulada de (+12V y -12V) con toma central como tierra para el sistema (Proyecto 1).  1 Multímetro.  Conectores para osciloscopio y multímetro.


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PRCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: I PARTE: SIMULACIONES Y MEDICIONES: 1) Se realizó el montaje del siguiente circuito:

Figura 1: Circuito del termómetro analógico.

2) Simulación: Se midieron las tensiones de cada siguientes valores:

de los amplificadores operacionales y resultaron los

Figura 2: Tensiones 𝑽𝒊

de cada amplificador..


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3) Mediciones: a) Circuito que se logró montar:

Figura 3: Circuito que se logró montar en el laboratorio.

b) Tensión inicial del LM35:

Figura 4: Tensión inicial del LM35.


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c) Tensión cuando el Led 1 enciende:

Figura 5: Tensión del LM35 cuando el Led 1 enciende.

d) Tensión cuando el Led 2 enciende:



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e) Tensión cuando el Led 3 enciende:


f) Tensión cuando el Led 4 enciende:



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g) Cálculo de las Temperaturas, a partir de los datos simulados y medidos:

II PARTE: TABLAS:

Led 1: Led 2: Led 3: Led 4:

Tenciones (mV): Simulados: Medidos: %Error: 303,161 305 0,61 400,97 397 0,99 498,793 491 1,56 596,631 588 1,40

Temperatura ( ): Calculados: Medidos: %Error: 0,59 0,99 1,56 1,44

Tabla 1: Tensiones y temperaturas del LM35.

III PARTE: ANÁLISIS DE RESULTADOS: Para este montaje usamos la configuración del amplificador como comparador si el voltaje al cual deben prender los diodos se encuentra en el rango, el permitirá el paso y el diodo encenderá a la hora de realizar el circuito, debemos tener en cuenta que ya conocemos los valores de los voltajes en las entradas inversoras a través de un divisor de tensión podemos calcular los valores de las resistencias decidimos tomar el valor de 100Ω pues era un valor muy cerca a los cálculos realizados así la tensión se repartiría en partes prácticamente iguales. En la tabla podemos observar, que los errores tanto para las temperaturas como para las tensiones son muy pequeños. Sin la ayuda de los leds hubiese sido casi imposible determinar estos parámetros. Esto demuestra que cumplimos con los objetivos planteados en este informe.


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CONCLUSIÓN: Concluimos que logramos cumplir con la mayoría de los objetivos propuesto para este proyecto, y una de ellos considerado como el más importante es obtener las tensiones del LM35. Comprendimos que el LM35 no requiere de circuitos adicionales para su calibración externa cuando se desea obtener una precisión del orden de ±0.25 ºC a temperatura ambiente, y ±0.75 ºC en un rango de temperatura desde 55 a 150 ºC. La baja impedancia de salida, su salida lineal y su precisa calibración inherente hace posible una fácil instalación en un circuito de control. Aprendimos que los sensores vienen diseñados para entregar la proporción de temperatura en °C (de la misma características están los de °K y °F). La tensión de salida es proporcional a la temperatura, y el factor de conversión de temperatura a voltaje es 10mV por °C. El sensor no tiene ningún desplazamiento de tensión de salida DC (lo que significa que la salida es 0V a 0 ºC de temperatura) y, por tanto, una fuente de voltaje negativo es requerida con el fin de medir las temperaturas por debajo de 0 °C.


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BIBLIOGRAFÍA:

Internet:  http://juliozebadua.blogspot.com/2012/11/uso-del-lm35-con-pic16f887mikroc-pro.html  http://es.scribd.com/doc/97596621/Practica-5-Termometro  http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf  http://es.wikipedia.org/wiki/LM35

Entre Otras.


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Termómetro Analógico.

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