Sensor de temperatura con diodo

SENSOR DE TEMPERATURA CON DIODO

1. Descripción del problema :

3. Diseño :

Se requiere diseñar un circuito sensor de temperatura el cual debe utilizar como sensor un diodo. El circuito deberá generar una alarma visual cuando la temperatura esté por debajo de los 20°C y una alarma sonora cuando la temperatura este por encima de los 50°C. En el rango de los 20°C a los 50°C no deberá activar ninguna alarma.

Primero se procede a diseñar el circuito logarítmico y determinar los voltajes de referencia para los comparadores. El circuito a implementar es el siguiente:

2. Análisis del problema : Al utilizarse un diodo como sensor de temperatura, se tendrá que implementar un circuito con un amplificador operacional, el cual deberá hacer variar su voltaje de salida en función de la temperatura en el diodo. El voltaje del circuito a las temperaturas de umbral de activación se debe calcular con el fin de establecerlos como voltajes de referencia para compararlos con el voltaje de salida de el circuito. Se implementara un circuito logarítmico puesto que es mucho mas estable que un circuito exponencial ya que sus valores a la salida no varían drásticamente con la temperatura y por ello se hace mas fácil calibrarlo. Puesto que el de salida voltaje en el circuito disminuye con el aumento de temperatura, se deberá conectar el voltaje de referencia (el voltaje de salida del circuito a 50°C) a la entrada no inversora para que cuando el voltaje de salida pase a estar por debajo de este, la salida del comparador vaya a Voh y active un transistor NPN el cual controla la fuente sonora que sera un zumbador. Para el caso en el cual la temperatura cae por debajo de los 20°C, se hará igual que en el anterior pero colocando el voltaje de referencia (voltaje de salida del circuito a 50°C) en la entrada inversora para que cuando el voltaje de salida lo sobrepase, el comparador vaya a Voh y así active el transistor NPN que controla la señal lumínica que sera un LED.

A la entrada inversora se le conecta un voltaje de -5V, se usa un divisor de voltaje con valores comerciales de 1kΩ y 5.6kΩ puesto que se definió una alimentación de 6V y -6V. Según el data sheet de el diodo 1N4007 a 25°C tiene una corriente de saturación I o=50 nA . La corriente en un diodo de silicio en función de la temperatura esta dada por: I o ' =I o⋅2

ΔT 10

Teniendo esta ecuación calculamos las corrientes de saturación de diodo para las temperaturas de 20°C y 50°C pero en grados Kelvin: I o=50⋅10−9⋅2 −9

I o=50⋅10 ⋅2

20−25 10

50−25 10

=35.3 nA a 20°C

=282.3 nA a 50°C

Para el circuito logarítmico, el voltaje de salida en función de la corriente esta dada por:

v o =η

kT I ⋅ln ( +1) Con η = 2 (Si) q Io

Los voltajes de salida para las dos temperaturas 20° y 50° son respectivamente: v o =50.5 mV⋅ln( v o =55.7 mV⋅ln (

5V +1)=0.6V 10kΩ⋅35.3 nA

5V +1)=0.42 V 10kΩ⋅282.3 nA

Estos serán los voltajes de referencia para los comparadores. Tomando resistencias de 330Ω y potenciómetros para realizar el divisor, los valores a los que se deben ajustar son: R=

R=

Rb =

330⋅0.6 =61 Ω comparador de 20°C 6−0.6

330⋅0.42 =24.8 Ω comparador de 50°C 6−0.42

Para los transistores como interruptores, el voltaje a la salida del comparado es de 3V respecto a tierra, los transistores se polarizan con las dos fuentes; es decir, el voltaje en la base de cada uno es de 9V. Para el LED rojo con corriente de 20 mA y voltaje de 1.8V la resistencia del colector es: Rc =

12 V −1.8 V −0.3V =495 Ω 20 mA

con un β = 200 base es:

I b=100 µA y la resistencia en la

Rb =

9 V −0.7 V =83 kΩ 100 µA

Para el zumbador con corriente 100mA, la I b=500 µA corriente de base es y por consiguiente la resistencia de base es:

9 V −0.7 V =16.6 kΩ 500 µA

4. Conclusiones :

•

Se observo como varia notablemente la corriente de un diodo con la temperatura, gracias a la acción del amplificador operacional, a través del cual se produjeron variaciones medibles y comparables de voltaje como respuesta a cambios de temperatura.

CIRCUITO COMPLETO: