18/10/15
PRACTICA 6 Y 7 SENSOR DE TEMPERAT TEMP ERATURA URA CON UNION P-N Y CONVERSION ANALOGICA/DIGITAL Materia: Instrumentación Instrumentación Profesor: Martínez Díaz Juan Carlos
INTEGRANTES Bustamante Cruz Horacio Cruz Pazarán Arturo Grupo: 3CM
Conteni!o Practica 6 7""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""# SENSOR DE TEMPERATURA CON UNION P-N Y CONVERSION ANALOGICA/DIGITAL """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""# I!t"#ra!t"$"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" # O%&"ti'($""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" $ Mat"ria) E*+i,("""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""$ I!tr(+cci.!""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""$ P)a!t"ai"!t( ") ,r(%)"a """"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""3 Dia#raa a %)(*+"$""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""3 Ec+aci.! ") CIRCUITO""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" GRAICAS""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" % M"ici(!"$"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" & C(!c)+$i(!"$""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" ' Horacio Bustamante Cruz"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" ' Arturo Cruz Pazarán"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""'
O2ETIVOS •
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Corro(orar el comportamiento un transistor como (ase para la construcción !e un circuito sensor !e temperatura Dise)ar un Circuito Acon!iciona!or !e se)al para los ran*os !e +olta,e !e un sensor !e temperatura a partir !el comportamiento !e un transistor" Dise)ar una etapa !e con+ersión analó*ica-!i*ital para una tra!ucción fia(le e inmune al rui!o. para su posterior uso"
MATERIAL Y E3U IPO •
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/ 0ransistor cual1uiera $ 2uente !e +olta,e !e & olts $ 2uentes !e corriente !e /##ua 45e recomien!a el uso !el circuito inte*ra!o 672$##8 $ Multímetros / 7ncen!e!or
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/ 9ata !e aire comprimi!o $ Amplifica!ores operacionales !e ultra (a,o ffset 45e recomien!a el uso !el P#&8 / 0ripo! !e /#;< 4Para 6#8 / 0ripo! !e /##;< 4Para el +alor !e 6$8 / 6esistencia !e /;<
INTRODUCCI4N •
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9a !etección !e !i+ersas +aria(les físicas es al*o a tomar en cuenta a la =ora !e !ise)ar sistemas o instrumentos más comple,os. puesto 1ue estos sistemas pue!en o necesitan ser sensi(les ante la simple presencia !e la +aria(le en cuestión" Aun1ue este tipo !e aplicaciones suelen limitarse principalmente +aria(les físicas como la luz. la =ume!a! > el mo+imiento. sin em(ar*o estas +aria(les pue!en perfectamente ser sensa!as > acon!iciona!as" 7s !e estas aplicaciones !e !on!e nace la rama !e la instrumentación electrónica. la cual se encar*a !el !ise)o > mane,o !e aparatos el?ctricos para su uso en me!iciones !e +aria(les físicas o 1uímicas. estas me!iciones una +ez =an si!o acon!iciona!as. son procesa!as > !i*italiza!as con el fin !e realizar el monitoreo > control !e !i+ersos procesos. emplean!o !ispositi+os > tecnolo*ías electrónicas" Para el !esarrollo !e esta práctica utilizaremos los si*uientes elementos:
La +"!t" " c(rri"!t" +a) RE00 7l 672$## com(ina 3 (lo1ues !e circuitos en un simple c=ip" $ fuentes !e corriente !e /##uA > un espe,o !e corriente" 9as secciones están !iel?ctricamente aisla!as. esto las =ace completamente in!epen!ientes" 7l ren!imiento !e ca!a sección se =a conse*ui!o con el fin !e o(tener una alta precisión a un (a,o costo" 0iene como
aplicaciones recomen!a!as la e@citación !e sensores. la polarización !e la circuitería. proporcionar (a,os +olta,es !e referencia > la construcción !e microcircuitos =í(ri!os 5us características son las si*uientes: •
Completamente flotante: o necesita cone@iones !e una fuente !e po!er o tierra
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Alta precisión: /##uA -#"E
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Ba,o coeficiente !e temperatura: -$ppm-FC
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Amplia co(ertura !e +olta,e: Des!e $" =asta #
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Inclu>e espe,o !e corriente
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A,)iica(r O,"raci(!a) OP07 7l P#& es un amplifica!or operacional !e precisión con un +olta,e !e offset mu> (a,o 4/#u típicos. =asta un má@imo !e $u8. una !eri+a !e offset !e #"$u-FC > (a,a corriente !e polarización !e entra!a !e #"&nA" 5u e@celente lineali!a! > precisión !e *anancia se mantienen incluso en altos ciclos !e *anancia. a tra+?s !el tiempo > la temperatura. lo cual =a con+erti!o al P#& en un circuito están!ar en la in!ustria" Al*unas !e sus principales aplicaciones son su uso como amplifica!or !e precisión. !e termocuplas. procesa!or !e se)ales !e (a,o ni+el. instrumentación m?!ica. amplifica!ores !e *al*as e@tensiom?tricas > alta precisión !e a!1uisición !e !atos" 5us características son:
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ltra (a,o olta,e !e ffset: /#u
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ltra (a,a Deri+a !e olta,e !e ffset: #"$u-FC
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ltra (a,o rui!o: #"3upp
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Amplio 5uministro !e olta,e: -3 =asta -/'
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o re1uiere componentes e@ternos
Tra!$i$t(r i,()ar N 9a estructura !e este transistor !e sitc=eo es !e la misma naturaleza 1ue el !e otros tipos !e transistores. son tres capas !e semicon!uctor !opa!o coloca!as alternati+amente en secuencia. en este caso. secuencia npn" 7l emisor está fuertemente !opa!o. la (ase es estrec=a > menos !opa!a > el colector es el !e ma>or tama)o 4para po!er !isipar el calor 1ue *eneran los porta!ores al per!er ener*ía por pasar !e la (ase al colector8 > un !opa!o mo!era!o" 7n este caso. este transistor tiene una me,or respuesta a alta frecuencia en correspon!encia a su complementario pnp" Al i*ual 1ue el !io!o en las uniones pn se forma una zona !e a*otamiento 1ue ten!rá *rosores !iferentes se*n el !opa!o !e ca!a material" 7l transistor tiene como principal aplicación la amplificación lineal > el sitc=eo. sin em(ar*o. para el
!esarrollo !e esta práctica =aremos uso !e su comportamiento frente a los efectos !e la temperatura en el transistor" 0o!os los parámetros !el transistor se +en afecta!os por la temperatura > es mu> importante tener to!as estas +ariaciones !urante el !ise)o" 7n este caso apro+ec=aremos 1ue la tensión !e polarización !irecta !e la unión (aseemisor para una !etermina!a corriente !e colector !isminu>e con la temperatura" 7l coeficiente !e temperatura !e la unión (aseemisor es i*ual al !e cual1uier otra unión pn polariza!a !irectamente" Así. la tensión !e polarización !irecta !e la unión (ase emisor para una !etermina!a corriente !e colector !isminu>e $"$m por ca!a *ra!o centí*ra!o !e incremento !e la temperatura"
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7ntre las características a consi!erar para esta práctica tenemos 1ue para el $$$$$:
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0iene una corriente !e tra(a,o alta: Má@imo '##mA
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Ba,o +olta,e !e tra(a,o: Má@imo #
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A $FC > /##uA !e corriente en el colector ten!remos #"% +olta,e (aseemisor
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Coeficiente !e temperatura !e $"$m-FC
C(!'"rti(r a!a).#ic(/i#ita) ADC080 7s un circuito CM5 !e ' (its con apro@imación sucesi+a !e con+ersión A-D. con uso !e una escala !iferencial potenciom?trica" 5us características principales !e uso para el !esarrollo !e esta práctica son:
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7ntra!as !e +olta,e analó*ico !iferencial con un ran*o !e # a olts con un solo suministro !e +olta,e !e 0ra(a,a con un +olta,e !e referencia !e $"
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7specificaciones cla+e:
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6esolución: ' (its
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7rror total: - 95B. - K 95B > - / 95B
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0iempo !e con+ersión: /##us
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Para po!er utilizarlo sin necesi!a! !e estar constantemente e+aluan!o !e al*una forma si necesitamos 1ue =a*a una con+ersión. lo usaremos en su confi*uración !e 2ree6unnin* para 1ue constantemente este =acien!o las con+ersiones" Por lo tanto. necesitaremos un scila!or para 1ue constantemente reci(a la instrucción !e realizar una con+ersión"
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Ti"r 555 7l circuito 9M es un !ispositi+o altamente esta(le para *enerar precisos tiempos !e retraso u oscilaciones" Para una esta(le operación como oscila!or. la frecuencia > el ciclo !e operación son controla!os !e manera precisa por me!io !e $ resistores e@ternos > un capacitor" Al*unas !e sus características principales son:
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Conteos !es!e microse*un!os =asta =oras
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pera en am(os mo!os. asta(le > monoesta(le
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Ciclo !e tra(a,o a,usta(le
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5ali!a > suministro compati(les con circuitos 009
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5u circuito en mo!o asta(le es el oscila!or perfecto para mantener al AD#'# realizan!o con+ersiones !e manera continua. su circuito proporciona!o por su =o,a !e especificaciones es:
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PLANTEAMIENTO DEL PROLEMA •
Dise)ar un circuito sensor !e temperatura en (ase al comportamiento !e una unión pn !e un transistor ante los efectos !e la temperatura. circuito cu>a sali!a analó*ica !e(erá ser con+erti!a !i*italmente para su posi(le posterior manipulación"
DIAGRAMA A LO3UES •
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ECUACI4N DEL CIRCUITO •
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De(i!o al comportamiento !el !ia*rama a (lo1ues anterior > a los !ise)os propuestos en las =o,as !e especificaciones !el 7 > el ADC#'#. la ecuación !el Circuito nos !e(e !e proporcionar la si*uiente forma: 7cuación !el +olta,e (aseemisor en (ase a la temperatura V BE =−2.265
mV ° C
( T −25 ) + 0.595
∗
De a1uí o(ten!remos los +alores !el +olta,e !e la (ase !el transistor a #FC > /##FC
(
)
V BE 0 ° C =0.651 V
(
)
V BE 100 ° C =0.425 V
Con esos +alores. !efiniremos las resistencias 1ue limitan el ran*o !e +olta,e !e sali!a !el CA5. el cual sería !esi*na!o por la si*uiente ecuación:
=−V
Vo
( )+ R 2
BE
R 1
( +
I 0 R0 1
R 2 R 1
)
5i proponemos a 6/ L / ;<. > 1ueremos un ran*o !e +alores !e sali!a !e # a . entonces los +alores !e 6$ > 6o 1ue!an !e la si*uiente forma: 6$ L $$/$3"'<
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6o L %$$'"&<
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Don!e la frecuencia !e oscilación !e la on!a es: •
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f =
1 / [ln2 x C x (RA + 2 x RB)]
Por el otro la!o. esta ecuación !el oscila!or es el nico análisis 1ue an 1ue!a por =acer. > pue!e tener muc=as +ariantes. puesto 1ue no es realmente necesario una frecuencia !e oscilación mu> alta. ni mu> (a,a. cual1uier +alor !e la misma
funciona para mantener acti+a la con+ersión analó*ica-!i*ital !el con+erti!or. aun1ue es recomen!a(le consi!erar un ciclo !e / se*un!o" A continuación =a> !os simulaciones !e cómo se comporta la sali!a !el con+erti!or analó*ico-!i*ital a $" > a •
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ota: 7l ADC#'# necesita !e un +olta,e !e referencia e1ui+alente a la mita! !el ran*o !e +olta,e analó*ico 1ue +a a reci(ir"
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Como se pue!e apreciar en las imá*enes !e la simulación. las sali!as !el con+erti!or analó*ico-!i*ital !an como resulta!o un nmero (inario 1ue +a !es!e # =asta $. con el /$' como +alor interme!io"
GRAICAS •
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Binario 4B8 ###/#/##
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/#//#/##
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//##//##
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MEDICIONES
/#/###/# /////#/#
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#/#//##/ //####//
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###/////
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///#//## ##////##
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Binario 4B8 #///#/## //##//## ###///## /#////## ##/###/# /#//##/# #//##//# ##/##/#/ #///##// //////// •
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Como pue!e apreciarse. tenemos un error *eneral !e #"/$ olts en las me!iciones !e la sali!a !el CA5 > % (its !e !iferencia en la sali!a !el con+erti!or analó*ico-!i*ital"
CONCLUSIONES •
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H6ACI B50AMA07 C6N
7l !esarrollo !e esta práctica nos a>u!ó a compren!er la importancia 1ue tiene el factor !e la temperatura en elementos electrónicos tan simples como lo son los
transistores. > 1ue estas +ariaciones 1ue sufren !e(i!o a la temperatura resultan particularmente !estaca(les cuan!o son amplifica!as > *eneran al*n error. incluso !urante la me!ición !el circuito este no se comporta(a !e manera fia(le. esto es resulta!o !e 1ue el colector !el transistor está !ise)a!o para !isipar la temperatura *enera!a por los porta!ores al per!er ener*ía cuan!o pasan a la (ase !el transistor" A!emás caí en cuenta !e lo increí(lemente til 1ue resulta !ise)ar un circuito altamente inmune al rui!o. >a 1ue utilizamos una fuente !e corriente esta(le para alimentar los circuitos. ,unto con amplifica!ores !e precisión > un con+erti!or analó*ico-!i*ital para =acer !el +alor !e la sali!a un +alor fia(le e inmune al rui!o por ser una se)al !i*ital" •
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A606 C6N PANA6O
Hasta a=ora no =a(íamos tra(a,a!o con la resolución !e al*n pro(lema en particular 1ue no tu+iera 1ue +er con el sensa!o !e al*una +aria(le física. sin em(ar*o. en esta práctica lo*ramos !eterminar la importancia 1ue tiene el factor !e la temperatura en el !ise)o > construcción !e circuitos. así como enfrentamos los pro(lemas 1ue *enera el com(inar circuitos !e !iferente ran*o !e suministro !e +olta,e"
