PRACTICA #5: TERMOMETRO.
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Práctica #5: Termómetro (mayo 2012) González. Wilmer Felipe, Carreño L. Mariano, Guzmán S. Dayana, 20091005013, 20091005077, 20091005008, Electrónica III , Ing. Electrónica, Universidad Distrital FJC. Resumen—En Resumen—En el presente informe de laboratorio se explicará detalladamente el diseño y la construcción de un termó termómet metro ro analóg analógico ico,, a partir partir del del uso de diodos y/o transistores, con la restricción de la no utilización de sensores de temperatura, por ejemplo el LM35, LM35, este este dispo disposit sitivo ivo solo solo será será utiliz utilizad ado o para para comprobar la medición, además de visualizar estos resul resulta tado dos s con con ayud ayuda a de un galva galvanó nóme metr tro o y un diodo LED multicolor. Pala Palabr bras as Clav Claves es— — Lm35, diodo, transist istor, amplificador amplificador operacional, Seguidor, termómetro. termómetro.
INTRODUCCIÓN STE informe contiene las instrucciones detalladas para la elaboración de un termómetro a partir de comp compon onent entes es elec electr trón ónico icoss tale taless como como el diod diodo o y/o y/o trans transist istor, or, el uso uso de ampli amplific ficad ador ores es oper operac acion ionale aless configurados configurados como Amplificador Amplificador invers i nversor, or, teniendo teniendo en cuenta que debemos usar una fuente de voltaje de 8v +1V, a conti ontin nuació ación n se muestra tran los los cálcu lculos los corre corresp spond ondien iente tess a la soluc solución ión prop propue uest sta a para para al desarrollo de la práctica y los resultados obtenidos y esperados hasta el momento.
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I.
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 alimentación comprendido entre 4 y 30 voltios. Como Como vent ventaja aja adici adicion onal, al, el LM35 LM35 [1] [1] no requ requier iere e de circuitos adicionales para su calibración calibración externa externa cuando se desea obtener una precisión del orden de ±0.25 ºC a temp temper eratu atura ra ambi ambien ente te,, y ±0.7 ±0.75 5 ºC en un rang rango o de temperatura desde 55 a 150 ºC. La baja baja impe impeda danc ncia ia de salida salida,, su salid salida a linea lineall y su precisa precisa calibra calibración ción inheren inherente te hace hace posible posible una fácil fácil instalación en un circuito de control. Debido a su baja corriente de alimentación (60uA), se produc produce e un efec efecto to de auto-c auto-cale alenta ntamie miento nto reducid reducido, o, menos de 0.1 ºC en situación de aire estacionario.
II. M ARCO TEÓRICO A.LM35 [1] [1] El LM El LM35 35 [1] [1] e es un sensor de sensor de temp temper erat atur ura a con con una una precisión calibrada de 1ºC. Puede medir temperaturas 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 salida.Sus características más relevantes son:
Precisión de ~1,5ºC (peor caso), 0.5ºC garantizados a 25ºC.
No linealidad de ~0,5ºC (peor caso).
Baja corriente de alimentación (60uA).
Amplio rango de funcionamiento (desde (desde -55º -55º a + 150ºC).
Figura 1. Diferentes presentaciones del LM35
Bajo costo.
B.DIODO [2]
Baja impedancia de salida.
El diodo [2] es el dispositivo dispositivo más sencillo sencillo realizado realizado con materiales semiconductores. Su fabricación se lleva a
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cabo mediante la unión de dos semiconductores, uno de tipo tipo P y otr otro de tip tipo N. El term erminal inal que que sale ale del semiconductor tipo P se denomina ánodo y el terminal que sale del semiconductor tipo N, cátodo.
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En el catálogo nos dicen que la variación es de 55 ºC a 150 ºC (más o menos de 3:1). Cogeremos Cogeremos la curva de 25 ºC pues trabajamos a temperatura ambiente.
Figura 2. Diodo rectificador.
CURVA CARACTERÍSTICA DEL DIODO [2] Con la polariz polarización ación direct directa a los electr electrone oness portad portadore oress aumen aumentan tan su velo velocid cidad ad y al choc chocar ar con con los los átom átomos os genera generan n calor calor que que hará hará aument aumentar ar la temper temperatur atura a del del semiconductor. Este aumento activa la conducción en el diodo.
Figura 4. Comparación
III. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA Para solucionar el problema propuesto se deben tener en cuenta diferentes puntos a tratar que se describirán a continuación con su respectivo procedimiento: 1. Implementar circuito sensor de temperatura de 0 a 50 °C con un diodo o transistor.
Con Con el obje objeti tivo vo de cump cumplir lir este este requ requer erim imie ient nto o se consideraron consideraron distintas opciones para la implementación implementación del del circ circui uito to anal analiz izan ando do el com comport portam amie ient nto o de un ampl amplifi ifica cado dorr anti anti logar logarít ítmic mico o y uno uno logar logarít ítmic mico o [4] [4] obteniendo los siguientes resultados: Figura 3. Curva característica del diodo. C.TRANSISTOR [3]
El amplificador anti logarítmico (ver figura 5) tiene como respuesta la siguiente función: (1)
El tran transi sist stor or [3] [3] bipo bipola larr es el más comú común n de los los transist istores [3], y como los diodos, pued puede e ser de germanio silicio. Existen Existen dos tipos transistor transistores es [3]: el NPN NPN y el PNP, PNP, y la dirección dirección del flujo de la corriente en cada caso, lo indica la flec flecha ha que que se ve en el gráf gráfic ico o de cada cada tipo tipo de transistor. El transis transistor tor [3] es un dispos dispositivo itivo de 3 patillas patillas con los siguientes nombres: base (B), colector(C) y emisor (E), coincidiendo coincidiendo siempre, siempre, el emisor, emisor, con la patilla que que tiene la flecha en el gráfico de transistor. El transist transistor or [3] bipolar es bipolar es un amplificador de amplificador de corriente, esto quiere quiere decir que si le introducimos introducimos una cantidad de corriente por una de sus patillas (base), el entregará por otra (emisor), una cantidad mayor a ésta, en un factor que se llama amplificación. Vari Variac acio ione ness de la gana gananc ncia ia de corr corrie ient nte, e, curv curva a característica de temperatura del transistor [3]:
Figura 5. Comparador Anti logarítmico
Por otro lado el amplificador logarítmico (ver figura 6) tiene como respuesta la siguiente función: (2)
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Figura 6. Amplificador logarítmico. El amplificador logarítmico funciona con un voltaje Vi cons constan tante te y posit positivo ivo,, mien mientra trass que que el loga logarí rítm tmico ico funciona con un voltaje Vi negativo y constante debido a su configuración, al graficar las respectivas funciones teniendo en cuenta que: •
R= resistencia de realimentación
•
Is= Is= corrient corriente e en inverso inverso
•
•
aproxim aproximadam adament ente e
Vd= voltaje voltaje en el diodo, oscila entre 0.78 y 0.68 entre 0 y 50 grados la función es: VT = es el voltaje térmico VT = KT/q
Para ambas funciones; Se obtuvo como resultado que la gráfica gráfica del amplificador amplificador anti logarítmico(v logarítmico(ver er gráfica gráfica 1) tiene una forma exponencial exponencial y tiende a 0, mientras que el logarítmico(ver gráfica 2) se comporta de manera casi linea lineall y aum aumenta enta con con el cam cambio bio o incr increm emen ento to de temperatura, esto se debe a que en el primer caso VT hace parte del exponente de la función, mientras que en el segundo caso el logaritmo se ve afectado por el valor de las corrientes corrientes que se deberán deberán mantener mantener constantes, Por esta razón se puede considerar el uso del circuito del segundo caso (amplificador logarítmico) ya que, al responder responder casi de manera lineal, facilita las mediciones mediciones requeridas.
Gráfica 2. Amplificador logarítmico 2. Imple mplem menta entarr un circ circui uito to con con OP AMP que que amplifique el voltaje de salida y trabaje en el rango de funcionamiento requerido
La salida del sensor es bastante pequeña para ser visualiza visualizada, da, por lo tanto tanto es neces necesario ario realizar realizar un etap etapa a que que la ampli amplifiq fique ue y que que trab trabaje aje entr entre e los los límites de funcionamiento del circuito. Como no se tiene aun la respuesta real del circuito sensor se trabajará con el LM35 atendiendo a la sugerencia presentada en la guía de laboratorio, por lo cual es posible posible que los valores valores obtenidos obtenidos para este este circuito deban ser modificados. Acondicionamiento de señal:
Grafica 3: acondicionamiento de señal.
La función a implementar es: (3)
Gráfica 1. Amplificador anti logarítmico
Al trabajar t rabajar con fuente única se recomienda trabajar con un punto punto medio medio entre los valore valoress limites limites del del sistema con tal de asegurar el rango de funcion funcionamie amiento nto del del mismo mismo para para todos todos los valore valoress deseados de entrada:
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Donde Vcc=9v y Va=0v. Por balance eléctrico eléctrico se obtienen obtienen los valores valores de las resistencias: (4) (5)
Figura 8. Vo para VT=0v
(6) Se obtienen: R=10 k; R1=10K; R2=9.5k; Rf=110.8k. Con valores reales de resistencias se tiene: (7)
Rango de funcionamiento: v
Figura 9 .Vo para VT=550mv 3. Visua Visuali liza zació ción n del resul resultad tado. o.
El circuito a implementar es:
A continuación continuaci ón se desea visualizar el cambio de voltaje asignado a cada temperatura en un galvanómetro y en un LED LED multicol multicolor, or, para para calibrar calibrar el galvan galvanóme ómetro tro se deben tener en cuenta la corriente máxima de lectura, la resistencia interna y el rango para el cual se desarrollo el circuito que para este caso es de 1.5 a 8v. Luego se tiene: (8)
De (8) se despeja R que será la resistencia que se debe colocar en serie para obtener la lectura deseada. deseada. Por ejemp ejemplo, lo, suponien suponiendo do que que I=50 I=50uA uA y Ri Ri
R, para para
Vmax=8v, se tiene: Figura 7. Diagrama de amplificador multientradas .
Las respuest respuestas as espera esperadas das para para el LM35 LM35 son las siguientes: Para VT=0v; (ver figura 8) . Para VT=550mv; VT=550mv; (ver figura 9). Figura 10. Galvanómetro como multímetro.
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Para la adaptación del cambio de color del LED a las temperatu temperaturas ras especif especificas icas se tendrá en consideración consideración el uso uso de un LED LED rgb rgb de 4 patas atas (ver ver figu figura ra 11) 11) que que perm permitir itirá á un mayo mayorr contr control ol debi debido do a que que el de dos termina terminales les cambia cambia automá automática ticamen mente te de color color a una frecuencia determinada.
Figura11. Esquema interno de LED rgb. Cada color tiene un voltaje de funcionamiento para lo cual se deberán calcular las resistencias que deben ir a cada cada uno de los cátodos cátodos por medi medio o de diviso divisores res de voltaje, obteniendo un circuito como el siguiente:
: Figura 12. LED rgb con resistencias.
BIBLIOGRAFÍA
LM35 (http://www.ucontrol.com.ar/wiki/index.php?title=LM35 http://www.ucontrol.com.ar/wiki/index.php?title=LM35)) [2] Diodo (http://www.ifent.org/lecciones/diodo/curva.asp)) (http://www.ifent.org/lecciones/diodo/curva.asp [3] Transistor (http://www.unicrom.com/Tut_transistor_bipolar.asp ) [4] Apuntes Apuntes de de electr electrónica, ónica, Vytau Vytautas tas Gabriunas, Gabriunas, sección 1.4 pag 41-47. [1]
