Sensor de temperatura

Electrónica. Electricidad. Calor. Vector. Sample. Hold. Oscilador

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SENSOR DE TEMPERATURA

LM335

Trabaja como un diodo zener cuyo voltaje de ruptura es directamente proporcional la temperatura que llegue a la superficie. Por cada grado de temperatura, el LM335 varía su voltaje en mV, presentando teóricamente una lectura de 0V. a 0 ºK. (-273ºC). En nuestra práctica, este circuito trabajará entre -25 y +75ºC.

Para conseguir 10 mV. con este circuito, tenemos que tener en cuenta que le sensor por sí sólo , en su estado básico, nos proporciona 10mV/ºK. Por ello deberemos estudiar el paso de ºK. a ºC:

Tomamos como referencia: 0ºC -- 273 ºK. ; 27ºC-- 300ºK.

Por esta razón, escogemos de entre los múltiples circuitos que nos proporciona la documentación de National, este modelo.

Escogemos este tipo de circuito porque nos permite ajustar fácilmente mediante potenciómetros, para obtener así a la salida 10 mV/ºC. Sólo cambiaremos del circuito obtenido en la documentación de National el amplificador operacional. Cambiamos pues, el LF308, por el LM324,integrado que cuenta en su interior con cuatro amplificadores operacionales que utilizaremos más adelante.

Para realizar el ajuste, levantaremos la patilla correspondiente al ánodo del sensor, dejándole así fuera de circuito, o bien levantaremos a patilla de la resistencia de 18k, e introduciremos por ella 27,3V, que es la tensión equivalente a 0ºC. Colocaremos la sonda del voltímetro a la salida y mediante potenciómetros ajustaremos el valor de la salida a 0V, que es el valor correspondiente en centígrados a 0º, y a kelvin 273º 27,3 V. Porque 10 mV equivalen a un ºK.

El sensor ya estará ajustado a 10 mV/ºC. El operacional es realimentado negativamente. El circuito conectado a la entrada positiva del operacional nos sirve de referencia para la entrada negativa, que es la entrada que varía respecto a la temperatura

En esta etapa, lo que nos interesa es ajustar los niveles de voltaje entre los que puede oscilar, para que la respuesta de sensor sea entre -25ºC y +75ºC. Para ello estudiaremos las características de la propia señal a la salida del sensor y la alimentación a la que está sometida.

Antes de la alimentación a la que está sometida la señal, nos interesaría que el valor de esta fuese

De donde deducimos

Sabiendo que

Obtenemos que la Vo oscilará entre los valores de

Por lo que los valores de la Vm que recogerá posteriormente el sample & hold serán:

SAMPLE & HOLD

LF398

Circuito de muestro de una señal analógica cualquiera. Es útil para darnos a conocer las tensiones existentes de una señal alterna en unos instantes determinados. Es un circuito de muestreo - retención, es decir, va muestreando una señal y periódicamente mantiene la salida al mismo nivel.

Todo esto es controlado por una señal que debemos introducir. Es la señal de control. Esta señal suele ser una señal cuadrada, que se utilizará para controlar internamente el circuito integrado. Para la práctica del termómetro digital obtendremos la señal de control a partir de un 555 en modo astable. Dependiendo de la frecuencia de la señal cuadrada que le apliquemos, el integrado trabajará con más o menos frecuencia.

Esta señal de control, lo que en realidad controla es un interruptor, que se activa o desactiva dependiendo del estado de la señal de control (alto o bajo). Este interruptor está conectado a un condenador y a un amplificador operacional. El condensador a su vez está unido a tierra. Esto provoca la siguiente reacción:

  • Cuando el interruptor crea un circuito cerrado, el condensador se queda cargado a la última tensión que recibió. Este es el estado sample

  • Cuando el interruptor está abierto, el condensador se descarga, incidiendo ese mismo nivel de tensión al amplificador operacional hasta que el interruptor vuelva a ser cerrado y comience de nuevo con la carga del condensador. Este es el estado hold.

Internamente cabe destacar la presencia de dos diodos en paralelo polarizados uno en cada sentido. Esto es para evitar la saturación del operacional al realimentarlo, al evitar que actúen los dos diodos a la vez, alternándose así cuado se alcanza la tensión de saturación.

En el circuito de la práctica, el integrado entrará en sample cuado Vs/h - Vref >1,4V.

De este mismo modo, el circuito entrará en hold cuando Vs/h -Vref <1,4V.

Esto lo realiza mediante un comparador par activar o no el interruptor.

Sample & hold ayuda notablemente al ADC a interpretar mejor la señal al mantener la muestra de la señal analógica durante un determinado tiempo (retención), a una frecuencia conocida.

OSCILADOR ASTABLE

LM555

Es un circuito integrado que integrado que incorpora dentro de sí dos comparadores de voltaje, un flip flop, una etapa de salida de corriente, un divisor de tensión y un transistor de descarga.

Dependiendo de cómo se interconecten estas funciones utilizando componentes externos es posible conseguir que dicho circuito realice un gran número de funciones tales como las del multivibrador astable y la del circuito monoestable.

Los circuitos multivibradores son utilizados para generar ondas digitales de forma continua o discontinua controlada por una fuente externa. Un multivibrador astable es un oscilador cuya salida varia entre dos niveles de voltaje a una razón determinada por el circuito RC. Un multivibrador monoestable produce un pulso que comienza cuando el circuito recibe la señal de disparo. La duración del pulso también es controlado por el circuito RC.

Dependiendo de las señales que se aplican desde el exterior se pueden lograr que los comparadores cambien de estado a diferentes niveles de voltaje, lo cual provoca que el flip flop cambie de estado de estado de salida y/o active el transistor de descarga.

Pines del integrado:

  • Tierra

  • Disparo. Aplicando un voltaje menor que 1/3 Vcc el comparador cambia de estado, hace set al flip flop y este a su vez hace que el voltaje sea alto. Cuando el voltaje de salida está alto, el transistor de descarga está a 0.

  • Salida.

  • Preset. Aplicando un voltaje bajo se consigue interrumpir el intervalo temporizador.

  • Voltaje de control. El voltaje conectado este terminal varía los valores de referencia 2/3 Vcc y 1/3 de Vcc de los comparadores del circuito.

  • Umbral. Cuando se le aplica un voltaje mayor que 2/3 Vcc se hace reset del flip flop haciendo así el voltaje de salida bajo. Cuando el Vo de salida está bajo el transistor de descarga está ON.

  • Transistor de descarga. Cuando se activa este transistor hay un paso de baja resistencia entre 1 y 7.

  • Vcc

  • La señal que queremos obtener para introducirla al sample & hold se trata de una señal de onda cuadrada, con una frecuencia de aproximadamente 1 Khz.

    Por esto, utilizaremos un montaje astable del 555.

    El montaje astable tiene de particular que todos sus estados son metaestables. Los estados metaestables son aquellos en los que con el transcurso del tiempo y dependiendo de sus valores (en este caso de carga y descarga del condensador por acción del transistor) cambian de estado. Con esto obtendremos una señal cuadrada, ya que independientemente de cual sea su entrada (0 o 1), este valor irá cambiando con tanta frecuencia cómo le indiquemos mediante tensiones que le proporcionemos mediante componentes externos. Para calcular los valores de los componentes externos primero estudiaremos el funcionamiento interno del montaje astable.

    DECODIFICADOR ANALÓGICO DIGITAL

    ADC 0804

    El convertidor analógico - digital en esta práctica nos va a ser útil para conseguir a partir de la señal que nos proporciona el sensor, convertirla en un valor digital. El valor digital obtenido se llevará hasta una memoria programable que nos indicará mediante unos displays el valor de temperatura correspondiente a ese valor digital.

    El funcionamiento del ADC se basa en la resta de sus terminales Vin+ y Vin-. La tensión que obtenemos, la traduce a un valor digital.

    Por esta razón, para una Vin- igual o mayor que Vin+, obtendremos a la salida el valor 0000000, pudiendo así fijar el punto donde queremos que empiece la cuenta.

    Para dar a conocer al circuito cuál será el ultimo valor que puede alcanzar, éste cuenta con la patilla Vref/2. En esta patilla debemos introducir la mitad de la tensión de referencia que necesitemos en cada circuito. La tensión de referencia es la diferencia de potencial entre la Vin+ y la Vin-, es decir, la resta de los voltajes de estas dos patillas.

    Estos circuitos necesitan una entrada de reloj para que coordinen la transformación analógica - digital. Cuanta mayor sea la frecuencia de las pulsaciones del reloj, y cuanto mayor número de bits de salida tenga el integrado, mayor será la precisión de la conversión..

    En la práctica calcularemos los valores del siguiente modo:

    Sabiendo que la tensión proveniente del sensor tendrá valores de entre 1V. y 5V. (Vin+), ajustaremos el valor de la entrada negativa (Vin-) a 1 V. De este modo obtendremos a la salida el valor 0000000 cuando la tensión proveniente del sensor sea 1. (la mas baja posible, -25ºC.)

    Como la señal de entrada puede variar entre 1 y 5 voltios, la diferencia de potencial entre estas dos patillas puede llegar a ser de 4 voltio. Este es el valor de la tensión de referencia por lo que en Vref/2 deberemos introducir una tensión igual a la mitad de la tensión de referencia, es decir, 2 voltios.

    Las demás patillas las conduciremos a tierra o a componentes externos de acuerdo con el esquema proporcionado en la documentación sobre el proyecto del termómetro digital.

    Como en Vin- tenemos que introducir una tensión de 1 voltio, crearemos un circuito que nos proporcione dicha tensión. Este circuito estará compuesto por un potenciómetro de 1k alimentado a 5 voltios y con una de sus patillas a tierra. La patilla restante del potenciómetro la ajustaremos al valor de 1 voltio y una vez realizada ésta operación la conectaremos a Vin-.

    En Vref/2 es necesario introducir 2 voltios. Elegimos el siguiente circuito de entre los ejemplos existentes proporcionados en la documentación de National sobre el ADC, ya que es un circuito fiable, es decir, que está diseñado para que no sufra variaciones, y porque es fácilmente ajustable.