El Diodo Como Sensor de Temperatura

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL FRANCISCO DE MIRANDA ÁREA: CIENCIAS DE LA SALUD PROGRAMA DE INGENIERA BIOMÉDICA AULA MOVIL MARACAY EDO – ARAGUA [BIO - 543] BIOINSTRUMENTACIÓN I

EL DIODO COMO SENSOR DE TEMPERATURA

INVESTIGADORES Acosta, Neil Leonardo A. CI: 13.953.856

Solano, Rafael CI: 9.687.711 González, José CI: 19.004.492

FACILITADOR Prof. Juan Muñoz

Maracay, 30 de Mayo de 2015

SENSOR DE TEMPERATURA Existen diferentes formas de sensores de temperatura: Resistores térmicos (RTDs y termistores), termopares y dispositivos semiconductores de unión PN. Aunque existen diversas aplicaciones para las diferentes formas de sensores, éstas dependen de parámetros clave y otros factores de diseño que normalmente favorecen una forma de sensor sobre otra. Los resistores térmicos son elementos conductores diseñados para variar su resistencia eléctrica de manera predecible al aplicar cambios en temperatura. Los termopares funcionan en base a la termo – electricidad (aquella electricidad generada por calor), que fue descubierta por Thomas Seebeck en 1821 y que posteriormente Becquerel utilizó para medir temperatura. Por último si un diodo rectificador de estado-sólido se conecta a un ohmímetro, la resistencia debido a la polarización en forma directa del diodo a temperatura ambiente puede ser medida. Si el diodo se calienta temporalmente el ohmímetro desplegará un decremento en la resistencia conforme la temperatura aumenta. Dado lo anterior, la selección de un sensor de temperatura sobre otro implica hacer una serie de compromisos entre las características disponibles que de acuerdo con Trietley las más importantes son: rango de temperatura, sensitividad, exactitud, linealidad y costo. Normalmente los dispositivos con rangos más amplios ofrecen menor sensitividad. Por otro lado la exactitud y el costo se relacionan ya que el esfuerzo necesario para mantener un alto nivel de exactitud requiere atención adicional a materiales, detalles de manufactura y pruebas. EL DIODO COMO SENSOR DE TEMPERATURA La mayoría de los semiconductores sensores de temperatura se basan en la variación de dos cantidades sensibles a la temperatura como son: el voltaje de polarización directa de una unión P – N y la resistencia propia del silicio sometido a algún proceso de dopaje. Esa variación de voltaje y resistencia es aproximadamente lineal. Una unión P – N (ya sea un diodo o la unión base – emisor de un transistor) requiere 0.7V a una temperatura de 25ºC cuando está polarizado directamente. Conforme la temperatura aumenta, este voltaje decrece en aproximadamente -2mV/ºC. De forma que los diodos y transistores se utilizan algunas veces como sensores de temperatura, especialmente en aplicaciones de compensación donde la exactitud absoluta no es importante.

Página 2 de 12

Figura 1 Medición de la resistencia de un diodo al ser calentado. La sensibilidad exacta depende del dopaje, la geometría de la unión y la densidad de corriente, de forma que es posible ajustar sensibilidades individuales cambiando la corriente en cada caso.

Figura 2 Curvas de resistencia vs. Temperatura de un típico termistor PTC de Silicio. Existen varias familias diferentes de sensores de temperatura en circuitos integrados, cuyo rango de operación generalmente varía entre -55ºC a +150ºC o menos, son dispositivos bastante lineales, sin embargo sus exactitudes y estabilidades, así como la variedad de empaques y ensambles disponibles, no son ni siquiera cercanamente iguales a otros tipos de sensores de temperatura. Otra desventaja es que los circuitos de silicio son afectados adversamente por la humedad y ambientes contaminantes, al tiempo que es sensible a influencias ambientales como interferencia electromagnética y a la luz visible, sin embargo el costo de este tipo de dispositivos es en muchos casos, menor a los demás dispositivos existentes. Página 3 de 12

CONSTRUCCIÓN Y CHEQUEO UN SENSOR DE TEMPERATURA. De lo discutido hasta el momento podemos observar que en realidad ya no hay mucho misterio detrás del diodo como sensor de temperatura, efectivamente si es posible. Por lo que recordando el objetivo de este tema se decidió buscar la información necesaria y al menor costo posible para fabricar un sensor de temperatura basado en un diodo 1N4148 el cual nos permita a la vez montar dos circuitos electrónicos de pruebas en el simulador virtual LiveWire versión 1.11 en primer lugar y luego en físico para que sirvan de experimentos en clase. La elección de este dispositivo se debió a que presenta linealidad bastante aceptable en el rango de 0ºC a 100ºC.

Figura 3 Elementos para el transductor de temperatura. Primero se debe realizar una especie de termo pozo al soldar un par de cables de cobre a los extremos de un diodo 1N4148 y cubrirlo con thermofit, de esta forma el dispositivo podía ser sumergido sin ningún problema en el agua.

Figura 4 Transductor de Temperatura. Después se debe conseguir suficiente hielo y colocarlo en un recipiente que soporte frio y calor por encima de los mencionados rangos, en él se sumergirá el diodo atado a un termómetro de mercurio con un rango de 0ºC a 100ºC, como se muestra en la Figura 5, con la idea de medir temperaturas cercanas a 0ºC. Página 4 de 12

Figura 5 Diodo y Termómetro. El recipiente se colocara luego sobre una estufa a gas o eléctrica de forma que la temperatura empiece a aumentar hasta un valor cercano a los 100ºC. Conforme la temperatura aumente, gracias al calor generado por la estufa, se comparara la escala de temperatura del termómetro con la lectura del Ohmímetro a diferentes intervalos. Y se registrara estos valores en una tabla. Cabe aclarar que en la primera medición a realizar, el diodo se conectara directo al Ohmímetro, pero debido al largo tiempo requerido para una estabilización de la temperatura (y por ende una lectura correcta tanto del termómetro como del Ohmímetro) el voltaje en las baterías podría empezar a disminuir, lo que haría que al terminar de capturar la tabla, ésta estuviera incorrecta dado que el voltaje aplicado no sería constante durante todo el experimento. El hecho de que el voltaje varíe, afecta el experimento, ya que modifica la corriente que pasa a través del diodo, con lo que el voltaje de polarización del diodo se vuelve una función que depende de dos variables: corriente y temperatura. Debido a esto, se encuentra recomendable repetir la medición, pero ahora utilizando un regulador de voltaje. de la empresa Microchip el modelo usado fue el MCP1700 5002 que a una temperatura de 25ºC entrega un voltaje de 5V ±0.4% a partir de tan sólo 5.6V, a diferencia del L7805 que regula a partir de 7V, de acuerdo con las hojas de especificaciones.

Figura 6 Voltaje de Salida vs. Voltaje de Entrada del MCP1700 5002. Página 5 de 12

Previendo el circuito que se iba a realizar para acondicionar la señal posteriormente se conectó el diodo entre un potenciómetro de 20k ajustado a un valor de 17.56k y una resistencia de 1k, de forma que todas las resistencias conectadas respeten el límite inferior de operación sugerido para un buen funcionamiento (R≥1k).

Figura 7 Alimentación del Sensor a través del regulador. De este modo se encontró que el voltaje de polarización del diodo se reduce conforme aumenta la temperatura (Ver Tabla 8). Gracias al regulador la corriente suministrada al diodo sera constante y las variaciones en el voltaje eran debidas sólo al cambio de temperatura.

Figura 8 Lecturas del Termómetro y Voltímetro.

Figura 9 Dependencia del voltaje de la fuente. (Medición y aproximación lineal). Página 6 de 12

De acuerdo con la Figura 9, que muestra los puntos de la medición así como su recta de mejor ajuste, se puede suponer que el hecho de que el voltaje en las pilas disminuya, simplemente provoca un desplazamiento hacia abajo de la línea con respecto al punto óptimo, es decir, cuando las pilas están completamente cargadas. Sin embargo, la única forma de comprobar que sólo había un desplazamiento (u offset) del punto de partida era volver a realizar el mismo experimento variando la temperatura para diferentes valores de voltaje de la fuente. Las tablas de estos otros dos experimentos se incluyen en el Apéndice G. Por otro lado la Figura 10 muestra que nuestra suposición fue correcta dado que para diferentes voltajes de alimentación se crea una familia de rectas prácticamente paralelas, cuyo cruce con el eje vertical es dependiente del valor de voltaje provisto por la fuente.

Figura 10 Variación del voltaje de polarización a diferentes voltajes de alimentación. Nuevamente podemos observar la ventaja de utilizar el regulador de voltaje, ya que sin él tendríamos esta familia de rectas correspondientes a los diferentes voltajes de las baterías, y deberíamos realizar un ajuste diferente para cada una de ellas, de forma que a una temperatura dada siempre tuviéramos el mismo voltaje después de haber acondicionado la señal producida por el diodo, sin importar si las baterías están completamente cargadas o no. Mediante el uso del regulador MCP1700 5002 no importa el voltaje presente en las baterías, el diodo siempre va a dar la misma recta mostrada en la Figura 11

Figura 11 Voltaje de polarización del diodo usando el regulador de voltaje. Página 7 de 12

Aplicando las técnicas de regresión lineal para los datos de la Figura 8 observamos que el coeficiente de correlación es muy alto (R2=0.9999) y del mismo modo obtenemos la Ecuación: Vd = −.0022 ⋅ T + .6071 Donde T = Temperatura (ºC) De esta forma, podemos ver que cada vez que la temperatura aumenta en 1ºC, el voltaje de polarización del diodo se reduce en 2.2mV. La variación máxima del voltaje debido a la temperatura es bastante pequeña (176mV para un cambio de 0ºC a 80ºC), en otras palabras, si conectáramos el diodo de forma directa al puerto del RCX, sabiendo que el voltaje varía únicamente 2.2mV por cada grado, necesitaríamos que el RCX tuviera una resolución muy grande para poder determinar la temperatura correcta. CIRCUITOS ELECTRÓNICOS DE PRUEBAS CIRCUITO NRO 1. En este circuito experimentaremos con la temperatura y se comprobará su influencia en el funcionamiento de los circuitos. La temperatura afecta a los circuitos de tal manera que no solo puede llegar a destruirlos o averiarlos, sino también puede interferir en su funcionamiento.

Funcionamiento El principal componente de este circuito es un diodo 1N4148 de uso corriente que hará la función de un sensor de temperatura, los demás componentes del circuito se utilizan para dar evidencia a los cambios producidos por una diferencia de temperatura. El diodo D1 está conectado entre el positivo y el negativo de la alimentación, separado del negativo por la resistencia R1 y del positivo por la resistencia del potenciómetro POT 1. El motivo de esta configuración es sencillo, cuando la temperatura del diodo D1 varíe, lo hará también la caída de tensión en el, por lo que las entradas de la puerta NOR quedaran a negativo o a positivo, de esta manera, a su salida (pin 3) tendremos una tensión positiva o negativa respectivamente.

Página 8 de 12

En general, cuando a la entrada de la puerta NOR tengamos una tensión positiva el LED1 estará apagado y cuando tengamos a la entrada una tensión negativa el LED1 se encenderá. Para ajustar la sensibilidad del circuito utilizaremos el potenciómetro POT 1. Para comprobar el funcionamiento del circuito, giraremos el potenciómetro hasta que el LED1 se apague. Tendremos que aplicar calor solo al diodo D1, lo cual puede hacerse con la mano, pero si no conseguimos que la temperatura suba demasiado podremos utilizar nuestro soldador de estaño. La caída de tensión en nuestro diodo D1 disminuye 0,2 milivoltios por cada grado que sube la temperatura. Si queremos una mayor sensibilidad del circuito, podremos sustituir el diodo D1 por una resistencia PTC que es un componente fabricado para esta función, pero como en nuestro experimento tan solo queremos ver la influencia de la temperatura en el funcionamiento de los circuitos, nos servirá con el diodo 1N4148.

Lista de Componentes C1

= 10µF (Condensador, Electro., 16v)

C2

= 100nF (Condensador, Cerámico, 50v)

D1

= 1N4148 (Diodo Rectificador)

LED1

= (Diodo LED)

POT 1

= 100k (Potenciómetro, Lineal)

R1

= 4k7 (Resistencia, 1/4W)

R2

= 1k8 (Resistencia, 1/4W)

U1

= 4001 (Puerta Lógica, NOR) Página 9 de 12

CIRCUITO NRO 2. CIRCUITO DE CONTROL POR DIFERENCIA DE TEMPERATURA

El circuito mide la diferencia de temperatura entre dos sensores (D1 D2) y activa un relé cuando la temperatura no es igual. También es posible detectar un cambio de temperatura, aunque la temperatura que midan los sensores sea diferente, con ayuda de un potenciómetro. FUNCIONAMIENTO DEL CONTROL POR CAMBIO DE TEMPERATURA Para implementar el circuito se utilizan, como sensores de temperatura, dos diodos semiconductores comunes (D1 y D2). Como los ánodos de los diodos están conectados a las entradas de un amplificador operacional que trabaja como comparador, cualquier diferencia de temperatura causará que éste dé a su salida un voltaje bajo. Estos diodos se colocan en los dos lugares cuyas temperaturas deseamos comparar. Al haber una pequeña variación en la temperatura de cualquiera de los diodos, el voltaje en sus terminales disminuirá. - Si el diodo D1 se coloca en un lugar susceptible a que la temperatura disminuya, el amplificador operacional dará a su salida un nivel bajo y activará el relé a través del transistor Q1. El transistor podría activar un sistema de calefacción o similar. - Si el diodo D2 se coloca en un lugar susceptible a que la temperatura aumente, el amplificador operacional dará a su salida un nivel bajo y activará el relé a través del transistor Q1. El transistor podría activar un sistema de refrigeración o ventilador. Cuando la temperatura de los dos diodos vuelva a ser igual, se desactivará el relé. Observar que la inclusión del potenciómetro permite variar el funcionamiento del circuito a nuestro gusto.

Página 10 de 12

Nota: El circuito se puede alimentar con 9 voltios. Sólo es necesario cambiar el relé por uno del mismo voltaje. Lista de Componentes - IC1: amplificador operacional 741. - Q1: transistor bipolar PNP 2N3702 o equivalente - R1=R2: resistores de 4.7K - R3=R4: resistores de 1.2K - R5: resistor de 2.7K - P: potenciómetro de 100K - D1=D2=D3: diodos 1N4001 - RL1: relé de 12V. Circuito impreso sugerido A continuación se muestra el circuito impreso sugerido y un aproximado de la apariencia del circuito final. (Ver diagrama anterior)

Página 11 de 12

REFERENCIAS PÁGINAS WEB CONSULTADAS: Circuito de control por diferencia de temperatura http://www.unicrom.com/cir_control-por-cambio-temperatura.asp Fuente fija de 5, 12 y -12 voltios http://fuentesfijasdemicro2.blogspot.com/ Sensor de temperatura http://www.tuelectronica.es/tutoriales/electronica/sensor-de-temperatura.html SENSOR LINEAL DE TEMPERATURA CON DIODO 1N4148 https://www.youtube.com/watch?v=KROy0JOK3Xg

DOCUMENTOS: Principios de electrónica Sexta edición Albert Paul Malvino West Balley College McGRAW-HILYINTERAMERICANA DE ESPANA, S. A. U.

Página 12 de 12