termostato con LM35

PARCIAL NRO 1 SENSOR DE TEMPERATURA. EIEE UNIVERSIDAD DEL VALLE Fernando Ríos Castro – 1222902 Víctor Mateo Benavides – 1225686 PLAN.3746 LABORATORIO DE ELECTRONICA I [email protected] [email protected] I.

RESUMEN

El desarrollo de esta aplicación nos permitió conocer y acercarnos un poco más a el funcionamiento real de un termostato como un sensor de temperatura on-off y con ello a otros elementos tales como los amplificadores operacionales (LM741) Y (LF353), los cuales son dispositivos muy usados en circuitos electrónicos dada su facilidad en torno a la manipulación de señales y su gran variedad de esquemas y configuraciones posibles para el correcto acondicionamiento de esta, siendo una herramienta muy útil en la práctica .Además de conocer el funcionamiento y características del transistor Q1VC547 y un relevador de 12V. II. INTRODUCCION En este informe están consignados los resultados y el análisis que se realizaron en la creación un sistema de control de temperatura cuyo objetivo es regular la temperatura de un espacio o recinto determinado, alrededor de un valor deseado o de referencia.

Figura 1) Amplificador no inversor

Como observamos, la tensión de entrada, se aplica al pin positivo, pero como conocemos que la ganancia del amplificador operacional es muy grande, el voltaje en el pin positivo es igual al voltaje en el pin negativo y positivo, conociendo el voltaje en el pin negativo podemos calcular la relación que existe entre el voltaje de salida con el voltaje de entrada haciendo uso de un pequeño divisor de tensión. b) Amplificador Operacional como comparador.

III. OBJETIVOS a) Diseñar e implementar un termostato con amplificadores operacionales que permita al usuario ajustar el valor de referencia de temperatura. b) Identificar las principales características de un Amplificador operacional y varios tipos de configuración posibles para dicha aplicación.

IV.MATERIALES Amplificadores operacionales LF353 Y LM741 1 trimmer de 25kΩ 1 potenciómetro 10kΩ 2 resistencias 1k 1 resistencia 1k Caimanes Cable UTP para realizar la conexión 1 Protoboard 1 bombillo de 60 w

Figura 2) Amplificador comparador.

Esta es una aplicación sin la retroalimentación. Compara entre las dos entradas y saca una salida en función de qué entrada sea mayor. Se puede usar para adaptar niveles lógicos. c) Amplificador Operacional como seguidor de tensión: Es aquel circuito que proporciona a la salida la misma tensión que a la entrada.

V. MARCO TEORICO Figura 3) Amplificador seguidor.

a) Amplificador Operacional como no inversor:

Se usa como un buffer, para eliminar efectos de carga o para adaptar impedancias (conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con baja impedancia y viceversa) Como la tensión en las dos patillas de entradas es igual:

montaje indicado en la figura 4. Para los experimentos los amplificadores, sensor y relevador se alimentaron a +15v y -15v. Montamos y analizamos el circuito por etapas.

Vout = Vin Presenta la ventaja de que la impedancia de entrada es elevadísima, la de salida prácticamente nula, y puede ser útil, por ejemplo, para poder leer la tensión de un sensor con una intensidad muy pequeña que no afecte apenas a la medición. De hecho, es un circuito muy recomendado para realizar medidas de tensión lo más exactas posibles, pues al medir la tensión del sensor, la corriente pasa tanto por el sensor como por el voltímetro y la tensión a la entrada del voltímetro dependerá de la relación entre la resistencia del voltímetro y la resistencia del resto del conjunto formado por sensor, cableado y conexiones. c) Sensor LM35: El LM35 es un sensor de temperatura integrado de precisión, cuya tensión de salida es linealmente proporcional a temperatura en ºC (grados centígrados). El LM35 por lo tanto tiene una ventaja sobre los sensores de temperatura lineal calibrada en grados Kelvin: que el usuario no está obligado a restar una gran tensión constante para obtener grados centígrados. El LM35 no requiere ninguna calibración externa o ajuste para proporcionar una precisión típica de ± 1.4 ºC a temperatura ambiente y ± 3.4 ºC a lo largo de su rango de temperatura (de -55 a 150 ºC). El dispositivo se ajusta y calibra durante el proceso de producción. La baja impedancia de salida, la salida lineal y la precisa calibración inherente, permiten la creación de circuitos de lectura o control especialmente sencillos. El LM35 puede funcionar con alimentación simple o alimentación doble (+ y -) D) Relevador de 12V : El relé o relevador es un dispositivo electromecánico. Funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. Fue inventado por Joseph Henry en 1835. Dado que el relé es capaz de controlar un circuito de salida de mayor potencia que el de entrada, puede considerarse, en un amplio sentido, como un amplificador eléctrico. Como tal se emplearon en telegrafía, haciendo la función de repetidores que generaban una nueva señal con corriente procedente de pilas locales a partir de la señal débil recibida por la línea. Se les llamaba "relevadores".

Figura 4) Sensor de temperatura.

Etapa nro 1 Sensor LM35 La relación de conversión del dispositivo es la siguiente. 10

𝑚𝑣 𝑣 = 0,01 (𝟏) ℃ ℃

Con base en esta relación se ha diseñado una etapa de amplificación, de tal forma que para un cambio en la temperatura de 1℃ se obtenga una señal de voltaje de 0.1V (dc). Etapa nro. 2 Etapa de amplificación. Con el fin de amplificar la señal se usó un amplificador configurado como no inversor. Ver figura nro. 1. La relación entre el voltaje de entrada y de salida está dada por la ecuación. 𝑣𝑜 = (1 +

𝑅2 ) × 𝑣𝑠 (𝟐) 𝑅1

La ganancia como función de transferencia es:

𝛽 = (1 +

𝑅2 ) (𝟑) 𝑅1

Para esta aplicación en particular necesitamos una ganancia de 10, para ello y usando la ecuación (3) encontramos el valor de la resistencia R1 dándole un valor arbitrario a R2.

VI. PROCEDIMIENTO Para el desarrollo de la aplicación se procedió a realizar el

10 = 1 +

9𝑘 𝑅1

𝑅1 = 1𝐾

𝑅2 = 9𝑘

(configuración original).

Etapa nro.3 Comparación.

Figura 6) Comparador de Schmitt no inversor.

Comparador de Schmitt no inversor con desplazamiento (modificación realizada para el cambio de histéresis)

Figura 7) Comparador de Schmitt no inversor con histéresis modificada

Figura 5) Etapa de comparación.

Con esta aclaración, el voltaje en la entrada no inversora está dado por la ecuación: 𝑣𝑐−𝑣2𝑏

Nota : Para la etapa de comparación se utilizó un comparador de Schmitt no inversor con desplazamiento, las características de histéresis de esta configuración son ideales para trabajar un transistor pnp como interruptor, ya que si se asegura una señal de 5v (50ᵒc) en la entrada inversora del operacional y se conecta la señal de voltaje proveniente del LM35 a la entrada no inversora, La salida Vₒ del amplificador se saturara negativamente, siempre y cuando al conectar el sistema, la temperatura censada por el LM35 sea menor a 50ᵒC,si se cumple esta condición el transistor pnp automáticamente entraría en saturación activando el rele y por ende el bombillo. Una vez alcanzada una temperatura un poco mayor a los 50ᵒC, el sensor enviaría una señal de voltaje (un poco mayor a 5V) a la entrada no inversora del operacional, lo cual haría que la señal vₒ del operacional se saturara positivamente ocasionando con esto que el transistor entrara en corte, lo cual a su vez desactivaría el rele y apagaría el bombillo. En nuestro caso particular se utilizó un transistor npn lo cual hacia imprescindible que para una temperatura que estuviera por debajo de los 50ᵒC, la salida Vₒ del amplificador se saturara positivamente, lo que se hizo para que tal condición se cumpliera fue asegurar 5v en la entrada no inversora del operacional en vez de en la entrada inversora y conectar la señal de voltaje proveniente del lm35 a la entrada inversora, con esta sencilla modificación se cambió la histéresis característica de la configuración Schmitt no inversora con desplazamiento y se logró que el transistor npn trabajara como interruptor. Comparador de Schmitt no inversor con desplazamiento

𝑉+= × 𝑅6 + 𝑉2𝐵 𝑅6+𝑅7 Despejando tenemos.

(𝟒).

𝑉+= 𝑣𝑡 + 𝑣𝑟𝑒𝑓 Siendo Vref el término que mantiene constante. 𝑣𝑟𝑒𝑓 = 𝑣2𝑏 × (1 −

𝑅6 ) (𝟓) 𝑅6 + 𝑅7

Y Vt el valor que si varía dependiendo de Vo. 𝑉𝑡 =

𝑅6 × 𝑣𝑐 (𝟔) 𝑅6 + 𝑅7

Se desea que la temperatura máxima sea 50℃ y la mínima de 30℃. Sabiendo que la alimentación de los amplificadores es de 15V el voltaje de saturación es. ±𝑣𝑐 = ±14𝑣 𝑣𝑡 = 1 1 = 𝑅6/(𝑅7 + 𝑅6) × 𝑣𝑐 1 = 𝑅6/(𝑅7 + 𝑅6) 14 Donde R6 = 1k

𝑅7 + 1𝐾 = 14𝐾 𝑅7 = 13𝐾 Ahora Vref debe ser 4V 𝑉𝑟𝑒𝑓 = (1 − Dado que

Entonces

𝑅6 ) = 4𝑉 𝑅7 + 𝑅6

𝑅6 = 1/14 𝑅7 + 𝑅6 (1 −

1 14

) × 𝑣2𝑏 = 4𝑣

𝑣2𝑏 = 4.31𝑣

De aquí que Etapa nro.4 Set point.

Se asumió que la corriente de emisor era de 15 mA, y esto debido a que es un aproximado de la magnitud de corriente que necesita la bobina del relevador para accionarse. Si se sabe que:

𝐼𝑒 = 𝛽 × 𝑖𝑏 (𝟖)

De la hoja de datos del transistor, se obtuvo que β= 110, por lo tanto si la corriente del emisor es de 15mA la corriente de base Ib será. 𝐼𝑏 =

15×10−3 110

= 0.14 𝑚𝐴

También se conoce el voltaje de base del transistor (Vb) el cual es de 14V cuando el transistor entre en saturación. Figura 8) Etapa de set point.

Requerimos de un voltaje en esta etapa V2b =4,31V, para ello le damos un valor a R5 de 1kΩ y mediante un divisor de tención cuadramos el potenciómetro con el siguiente valor. 15𝑣 𝑅4 + 1𝐾

× 1𝐾 = 4.31 𝑉

(𝟕)

Despejando de (4) se obtiene el valor de la resistencia en el potenciómetro.

Se desea que al relevador lleguen tan solo 12V la caída de tención producida por la resistencia debe ser igual a 1.3V, así por Kirchhoff se obtiene. 𝐼𝑏 × 𝑅𝑥 = 1.3𝑉 → 𝑅𝑥 = 1,3𝑉/𝐼𝑏 𝑅𝑥 = 9533.3Ω ≈ 10𝑘Ω Nota: Los 0.7V restantes corresponden a la caída de tensión entre la base y el emisor de transistor.

𝑅4 = 2480.3 Ω VII. RESULTADOS Etapa nro.5 Transistor y relevador.

El control swich” off” respondió cuando la lectura del sensor marco los 0.5V como se estimulaba, sin embargo su acción de respuesta al control “on” se vio un poco alterada dado que encendió como respuesta a los 3,1V señal emitida por la etapa de amplificación, es decir cuando el sensor emitió una señal de 0.31V en otras palabras cuando la temperatura era de 31℃ . VIII. CONCLUSIONES

IX. BIBLIOGRAFÍA [1] COOPER, William David; Instrumentación Electrónica y Mediciones. Ed. Prentice-Hall, 2da edición, 1982. [2]Tabla de valores nominales. http//www.arrakis.es/~fon/simbología/_private/colores.htm. Agosto de 2012 [3] Formato Artículos IEEE https://docs.google.com/document/d/1DDDHbyujVE0Jso3IT DVRpF-n_ydSYhf2IecZ8xTA0w/preview?markAsViewed=false. .