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Relatório Final Protótipo de um Experimento para a Transferência de Temperatura
Celsius para Tensão Elétrica
Alessandro Lunardi, Fábio Soares, Fernando Palavro, Jean Fontanive Universidade de Caxias do Sul – UCS
Rua Uruguai, 458 – CEP 88302-202 – Caxias do Sul [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
Resumo: A finalidade do experimento foi a de transformar a temperatura (Celsius) em tensão. A idéia se deu com o uso de um sensor de temperatura LM 35, um amplificador operacional LM 324, um semicondutor LM 3914, o qual tem controle dos Led’s inseridos, com a finalidade de serem ligados para fornecer a leitura da temperatura inserida sabendo que o primeiro Led será ligado em 4°C e o último, em 40°C, totalizando dez medidas. O esquema proposto demonstra a linearidade das medidas e sua construção sobre uma placa protoboard. Palavras-chave: sensor de temperatura, amplificador operacional, semicondutor. 1. INTRODUÇÃO
O tema proposto foi transformar a temperatura (Celsius) em tensão. Os componentes usados foram: um sensor, uma placa protoboard, um amplificador operacional, um semicondutor, quatro resistores, dez Led’s, um potenciômetro, um termopar.
O sensor é um dispositivo que muda seu comportamento sob a ação de um componente em forma de C.I. É empregado em inúmeras aplicações lineares ou não lineares na eletrônica em geral, mas principalmente, em sistemas de controle e regulação, instrumentação, processamento e geração de sinais uma grandeza física, podendo fornecer diretamente ou indiretamente um sinal que indica esta grandeza. O sensor de temperatura é um sistema simples tanto quanto um termômetro de mercúrio
(utilizado para medir a temperatura corporal) até os sensores que utilizam semicondutores como o LM 35. O circuito proposto por este trabalho deverá ser capaz de medir as alterações de temperatura de 4ºC até 40ºC.
O circuito foi montado baseando-se em uma placa protoboard (as placas para protótipos protoboards são usadas para as montagens de circuitos temporários, sem o uso de soldas, é um circuito impresso provisório). A corrente elétrica é um fluxo ordenado de partículas carregadas e sua intensidade poderá ser expressa por 4 ampéres (A), em miliampéres (mA) ou por submúltiplos como os microampéres (mA). Um ampére (1 A) é uma intensidade de corrente elétrica que indica um fluxo de 6,2 x 10 18 elétrons por segundo em qualquer seção do fio.
Ainda de acordo com a Enciclopédia Virtual (2007), um sensor é geralmente definido como um dispositivo que recebe e responde a um estimulo ou um sinal. Porém, os sensores artificiais são aqueles que respondem com um sinal elétricos um estimulo ou um sinal. Um transdutor por sua vez é um dispositivo que converte um tipo de energia em outra não necesseriamente em um sinal elétrico. Muitas vezes um sensor é composto de um transdutor e uma parte que converte a energia resultante em um sinal elétrico. Podem ser de indicação direta (como um termômetro de mercúrio ou um medidor elétrico) ou em par com um indicador (algumas vezes indiretamente com um conversor de analógico para digital, um computador e um display) de modo que o
valor detectado se torne legível pelo homem. Além de outras aplicações, os sensores são largamente usados na medicina, indústria e robótica.
Como o sinal é uma forma de energia, os sensores podem ser classificados de acordo com o tipo de energia que detectam.
Para o experimento utilizou-se um sensor do tipo LM 35DZ, um amplificador operacional LM 324 e um semicondutor LM 3914, os quais forneceram linearidade de boa interpretação. No sensor conhecido como LM 35 o nível de tensão em relação à temperatura é calibrada em °C e, a cada aumento de 10 mV, é equivalente a 1°C.
De acordo com a Enciclopédia Virtual (2007) um amplificador operacional ou amp op é um amplificador com um ganho muito alto que possui duas entradas, uma inversora (-) e uma não inversora (+). A tensão de saída é a diferença entre as entradas + e - , multiplicado pelo ganho em malha aberta:
A saída do amplificador pode ser
única ou diferencial, o que é menos comum. Os circuitos que utilizam amp ops frequentemente utilizam a realimentação negativa (negative feedback). Porque devido ao seu ganho elevado, o comportamento destes amplificadores é quase totalmente determinado pelos elementos de realimentação (feedback).
O amplificador operacional é um componente eletrônico compacto construído da junção de resistores, capacitores e transistores. Este componente em tempos passados era largamente utilizado para computar as operações matemáticas como soma, integrações. Por isso recebe o nome de Amplificador Operacional. De acordo com o avanço tecnológico o Operacional foi anexado ao nome devido a sua versatilidade em implementações antes complexas e nos mais variados projetos (CFETG, 2007).
Sua representação gráfica é dada pela figura abaixo:
V+ – Entrada não Inversora V- – Entrada Inversora VO – Tensão de Saída
O amplificador operacional é provavelmente o dispositivo único mais bem sucedido na área de circuitos eletrónicos analógicos. Com apenas alguns poucos componentes externos, ele pode ser ajustado de modo a fazer uma grande variedade de funções em processamento de sinal. Também possui um preço relativamente baixo.
Foram usados resistores, componentes eletrônicos que têm a propriedade da resistência elétrica e com a função de atenuar a corrente elétrica. Sendo talvez, um dos componentes mais comuns, as resistências possuem um formato cilíndrico e faixas coloridas que definem o seu valor em Ohms. Servem para opor-se a passagem de corrente, ficando assim, certa tensão retida no mesmo.
LED é a sigla em inglês para Light Emitting Diode, ou Diodo Emissor de Luz. O LED é um diodo semicondutor (junção P-N) que quando energizado emite luz visível. A luz é monocromática e é produzida pelas interações energéticas do elétron. No silício e no germânio, que são os elementos básicos dos diodos e transistores, entre outros componentes eletrônicos. 2. METODOLOGIA:
Para o circuito proposto em questão utilizou-se:
• Placa protoboard: usada para o circuito temporário sem o uso de solda;
• Fios: tipo 0,4m de duas cores a fim de destacar uma melhor
interpretação entre corrente e terra (neutro);
• Sensor LM 35: descrito como IC1 é um sensor de temperatura que tem unicamente três terminais, um que corresponde a alimentação de tensão positiva, outro conectado ao terra e o terceiro que, de acordo com a temperatura, varia a tensão. Esse sensor tem a capacidade de medir temperaturas dentro da faixa de O°C a +150 °C, que em tensão corresponde a 0mV a +1500 mV;
• Amplificador operacional LM 324: descrito como IC2;
• Semicondutor LM 3914: descrito como IC3;
• Resistor 10KΩ ( R3 ) e 22KΩ (R1 e R4 );
• Led’s; • Fonte de tensão; • Potenciômetro 10K (R2); • Copo de Becker; • Chave seletora; • Termopar; • Aquecedor de água; • Gelo;
A tarefa proposta foi a de extrair dez medidas de temperatura, a qual teve seu início em um estudo do esboço de circuito “Figura 1” fazendo que o circuito montado de Celsius para tensão elétrica funcione. O sensor LM 35 é um fotodiodo que trabalha a seco, diante deste fato teve-se a idéia de isolar com uma borracha térmica para que fosse submergido na água. Partiu-se da água e do gelo colocados no copo de Becker para se obter os 4°C, a qual foi a medida escolhida para dar início ao trabalho proposto. Seguido das seguintes etapas: essa medida será reconhecida pelo sensor LM 35 que por sua vez imitirá uma saída de 40mV; é encaminhada até o amplificador operacional LM 324 que reconhecerá e multiplicará por 3.2 vezes e que terá na sua saída 128 mV; sendo encaminhado até o semicondutor LM 3914 (controle da barra de Led’s) o qual reconhecerá e já terá a
autonomia para ligar o primeiro Led’s. Dessa forma continuará, nas próximas medidas propostas de forma linear, até chegar a 40°C, medida máxima estipulada nesse trabalho. Os dados em valores de saída estão disponibilizados na “Tabela 1”.
O circuito proposto neste trabalho está disposto na Figura 1.
Os símbolos inseridos na Figura 1, correspondem a:
• GND – entrada de neutro (terra); • V+ - corrente inserida no circuito; • IC1 – sensor LM 35; • R1, R3 e R4 – resistores; • R2 – potenciômetro; • IC2 – amplificador operacional LM
324; • IC3 – semicondutor LM 3914; • Chave seletora – liga/desliga; • D1 a D10 – Led’s.
Figura 1- Esquema Elétrico do Circuito integrado.
2.1 Fórmulas utilizadas: Para o sensor LM 35, cada 1ºC
equivale a 10 mV, então: Temperatura x 10 mV = valor de saída (1)
Para o amplificador operacional LM 324: Valor de saída do LM 35 x 3.2mV = valor de saída amplificador LM 324 (2)
Para o semicondutor LM 3914, é planejado o trabalho entre 0 Volts a 1,28 Volts. A cada aumento de 128 mV é ligado um Led’s de acordo com Tabela 02. (3) 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES A figura 2 representa o projeto montado e em plenas condições de ser operado, conforme foi proposto neste trabalho.
Figura 2 – Projeto montado
Tabela 1 – comparação da saída no LM 35 com o ganho no LM 324 e entrada
no LM 3914 em mV
ºC Saída LM 35 em mV
Ganho LM
Entrada LM 3914 em mV
0 0 3.2 0 4 40 3.2 128 8 80 3.2 256 12 120 3.2 384 16 160 3.2 512
20 200 3.2 640 24 240 3.2 768 28 280 3.2 896 32 320 3.2 1024 36 360 3.2 1152 40 400 3.2 1280
Na Tabela 1, a coluna da
temperatura em ºC demonstra os valores aplicado no sensor LM 35. A saída do LM 35 indica que ocorreu uma entrada em temperatura e gerou uma saída em mV, enfatizando que a cada 1ºC equivale a 10 mV. A cada tensão recebida pelo sensor LM 35 ocorre a ampliação de 3.2 vezes. O LM 3914 tem a capacidade de ligar um Led a cada 128 mV recebido.
Observa-se que a faixa de operação do integrado LM 3914 que é de 0 V a 1,28V, então o valor máximo para ativar o IC3 (1,28V), que significa que deve-se amplificar o valor da tensão do sensor por um fator de 3.2 vezes.
A configuração que adquirirá o amplificador IC2 é um amplificador não inversor, sendo que os resistores R3 e R4 são encarregados de reparar o fator de amplificação antes mencionado (3,2 vezes).
Referente à alimentação do circuito, dada pelas características dos circuitos integrados, é possível fazer uso de uma fonte de alimentação cujo valor pode variar de 3V a 21V, que a forma de operação do projeto não será afetada.
O circuito descrito acima, terá um ganho de 3,2 mV no LM 324, conforme Tabela 1.
Tabela 2 – Comparação da tensão de
entrada dos Led’s com a temperatura de leitura
Temperatura indicada
Tensão mV
LED’S ligados
0ºC 0 - 4ºC 128 D1 8ºC 256 D1, D2 12ºC 384 D1, D2, D3 16ºC 512 D1, D2, D3, D4 20ºC 640 D1, D2, D3,
D4, D5 24ºC 768 D1, D2, D3,
D4, D5, D6 28ºC 896 D1, D2, D3,
D4, D5, D6, D7 32ºC 1024 D1, D2, D3,
D4, D5, D6, D7, D8
36ºC 1152 D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8, D9
40ºC 1,28 V em
diante
D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8, D9,
D10
A cada 4ºC resultará em 128 mV, proporcionando a ligação de um Led’s. A Tabela 2 expressa esses valores.
O circuito integrado LM 3914 é um dispositivo que reconhece a variação de tensão de entrada, ligando ou desligando a série dos Led’s, os quais são conectados em seus terminais de saída. Este circuito integrado é composto por uma série de amplificadores operacionais (Total = 10) interligados entre si, sendo que os mesmos são configurados com comparadores de níveis, que contam com uma tensão de 1,28 V. Através desta tensão ocorre as comparações de tensão e a ignição correspondente a cada Led’s.
Tabela 3 – Comparação da tensão de entrada com a saída em ºC no circuito
do LM 35
Temperatura Tensão de saída
0ºC 0 V 5ºC 50 mV 15ºC 150 mV 20ºC 200 mV 25ºC 250 mV 30ºC 300 mV
A faixa de O°C a + 150ºC indica
a operação da capacidade do sensor LM 35. A cada 1ºC inserido equivale a 10 mV, portanto a Tabela 3 expressa alguns dos resultados obtidos durante a utilização desse sensor.
O circuito integrado de matrícula LM 35DZ identificado como IC1 é um sensor de temperatura que tem unicamente três terminais, um que corresponde a alimentação de tensão positiva, um outro conectado ao terra (neutro) e o terceiro é o que de acordo com a temperatura varia a tensão. A vantagem de usar esse integrado, é o fato que o nível de tensão em relação a temperatura é calibrada em ºC. Gráfico 1 – Comparação da linearidade de graus em tensão na entrada LM 324 e
LM 3914
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Tensão
Tem
pera
tura
Graus X Tensão entrada LM324
Graus X Tensão entrada LM3914
O Gráfico 1 mostra a linearidade
das medidas de temperatura
reconhecidas em tensão pelo LM 324 e LM 3914. Depois de inserida a primeira medida, as outras vêm de forma crescente e de forma linear até seu nível máximo estipulado.
O led’ é ligado a cada 125 mV porem esta chegando 128 mV uma pequena diferença de defasagem que não implicará no funcionamento do experimento. 4. CONCLUSÃO
Foi feita uma montagem em uma placa protoboard de um sensor LM 35 (responsável para medir temperatura em graus Celsius), a fim de capturar a temperatura ambiente ou qualquer alteração dela , o LM 35 envia este sinal ao LM 324 o qual ajusta para o ganho necessário de tensão, passando pelo LM 3914 antes de ligar cada Led correspondente.
Variando a temperatura tivemos a oportunidade de observar uma resposta rápida e linear, onde o sensor transmitia de forma proporcional o processamento através da leitura dos Led’s. Esta leitura se dava até a saturação que ficava acima de 40ºC, deixando impossível uma outra leitura.
Após as modificações necessárias, o resultado é um circuito final utilizando amp ops ideais. O objetivo do projeto é que qualquer erro ou discrepância restante seja insignificante na prática.
O amplificador linear tem tensão de saída proporcional à diferença entre as tensões aplicadas nas entradas. Se a entrada + (não-inversora) é maior que – (inversora), o amplificador satura para a alimentação +V.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Amplifidor Operacional. Capítulo 7. USP. Disponível em <http://www.lsi.usp.br/~roseli/www/psi
2307_2004-Teoria-7-AmpOp.pdf> Acesso em 18 jun. 2007. CFETG. Centro Federal de Educação Tecnológica de Goias. Amplificador Operacional. Disponível em <http://orbita.starmedia.com/~ampop/paginas/index.html> Acesso em 20 jun. 2007.
Enciclopédia Virtual. Disponível em <http://pt.wikipedia.org/wiki/Amplificador_operacional > Acesso em: 21 jun. 2007.
GRUTTER, Arthur François de. Amplificadores Operacionais. São Paulo: McGraw-Hill.
