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• Eladhio Burgos

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Contenido Introducción..................................................................................................................................... 2 Objetivos........................................................................................................................................... 3 Los objetivos específicos ........................................................................................................ 3 Objetivos grupales e individuales ......................................................................................... 3 Problemática.................................................................................................................................... 4 Trabajo Previo ............................................................................................................................. 5 Materiales ..................................................................................................................................... 5 Marco teórico................................................................................................................................... 6 Sensores activos ........................................................................................................................ 6 Sensores pasivos ....................................................................................................................... 6 Acondicionamiento de señal ................................................................................................... 6 Sensores resistivos ................................................................................................................... 6 LDR............................................................................................................................................. 6 Termistores .............................................................................................................................. 6 Desarrollo del práctico.................................................................................................................. 7 Curvas de calibración ............................................................................................................... 7 Sensor NTC .............................................................................................................................. 7 Sensor LDR .............................................................................................................................. 9 Constantes del termistor NTC .............................................................................................. 10 Diseño de circuitos para el termistor NTC ........................................................................ 10 Puente de Wheatstone ........................................................................................................ 10 Amplificador con AOPs ...................................................................................................... 12 Conclusiones................................................................................................................................. 15 Referencias .................................................................................................................................... 16

Introducción Las aplicaciones de la electrónica, presentes actualmente en innumerables aspectos de nuestra vida cotidiana, no serían posible sin los sensores. Sin la capacidad que estos ofrecen de medir las magnitudes físicas para su conocimiento o control, muchos de los dispositivos electrónicos no serían más que simples curiosidades de laboratorio. Sin embargo, los sensores por si solos, no permiten el estudio de una magnitud, lo que provoca que se tengan que utilizar circuitos que acondicionen los datos entregados por lo sensores. En esta parte, el diseñador es muy importante, ya que dependiendo de las necesidades que se presenten, se requerirán circuitos muy precisos. En este laboratorio, se trabajara con tres tipos de sensores, específicamente serán utilizados una NTC, una LDR y el sensor LM35. Con estos sensores analizaremos las variables de temperatura y luz respectivamente, realizando tablas de datos y graficas que permitan demostrar su comportamiento. También se realizó un circuito de acondicionamiento para la NTC, ajustando un puente de Wheatstone, con el fin de poder medir la temperatura correspondiente a través de la tensión que presente el circuito. Por ultimo además, se realizó un diseño con amplificadores operacionales, para una temperatura en específico igual a 40°C, en la cual, a esta a temperatura, debíamos obtener una tensión equivalente a un “1” lógico en circuitos TTL. Con el propósito de realizar adecuadamente este laboratorio, se realizaron cálculos teóricos previos, además se realizaron simulaciones con el software Multisim, así se podrán llevar a cabo de mejor manera las mediciones y experimentos prácticos.

Objetivos Para este práctico se pretende como objetivos generales el obtener la curva de calibración de los sensores NTC y LDR, el utilizar el LM35 como elemento de referencia en la medición de temperatura y el diseñar y comprobar un circuito acondicionador de un NTC, utilizando específicamente el puente Wheatstone. No obstante se pretende dar una lista de objetivos específicos, grupales e individuales, para el desarrollo de la siguiente experiencia práctica

Los objetivos específicos      

Describir de forma precisa, las problemáticas y desafíos que se fueron dando a lo largo de este práctico. Comparar los valores obtenidos en la práctica con los valores obtenidos en la simulación. Observar y analizar el comportamiento de dispositivos reales, como afecta la tolerancia de las resistencias y los AO reales en los resultados finales. Graficar las respuesta esperada en el amplificador operacional y dibujar las respuestas de onda cuando sea necesario. Realizar en algún software una simulación, que nos respalde con seguridad, cada dato obtenido en la práctica. Analizar los valores de las datasheet y compararlos con los valores seleccionados en el laboratorio.

Objetivos grupales e individuales    

Lograr un buen desempeño como grupo y aprender a trabajar en equipo. Discutir y debatir conceptos importantes que se vayan presentando en el práctico. Elevar el nivel matemático y crítico, en análisis de dispositivos y sistemas electrónicos. Lograr que los conceptos aprendidos en este práctico, se apliquen a futuros proyectos y problemas que relacionen tales contenidos.

Problemática 1.- Analizar el circuito de la fig. 2

Figura 1. LM35

2.- Conectar los componentes e instrumentos necesarios de acuerdo al esquema anterior. 3.- Registre el voltaje 𝑉𝑡 a temperatura ambiente. Mida también la resistencia del termistor. 4.- Varíe la tensión V, que alimenta la resistencia de 8,2Ω. Para cada valor de 𝑉𝑡 mida la resistencia del termistor NTC (entre puntos 1 y 2 del esquema) 5.- Para la LDR, platee el circuito y método a seguir para la obtención de su curva característica. 6.- A partir del método sugerido en un punto anterior, tabule datos. 7.- Compruebe la respuesta del puente de Wheatstone diseñado.

Trabajo Previo -

Elegir un termistor NTC Diseñar el puente mostrado para obtener salida nula, a temperatura ambiente, para el NTC como elemento Rx Diseñar un amplificador con AOP, de forma tal que la salida del circuito puente, entregue un nivel 1 compatible con lógica TTL, cuando la temperatura en el termistor exceda los 40°C

Figura 2. Puente Wheatstone para NTC

Materiales    

    

1 Protoboard 1 Multitester, “Digital Multitester Protek 506” 3 Fuente de corriente directa, “Modelo PR-653” Resistencias o 2 Resistencias de 1kΩ o 1 Resistencia de 470Ω o 1 Resistencia de 12kΩ 2 Amplificadores CN741 1 Potenciómetro 1kΩ LM35 LDR 1 Luxómetro

Marco teórico Un sensor es un dispositivo que, a partir de la energía del medio donde se mide, da una señal de salida transductible que es función de la variable medida. El número de sensores disponibles para las distintas magnitudes físicas es tan elevado que no se puede proceder racionalmente a su estudio, pero se pueden clasificar en dos tipos si lo vemos desde el punto de viste de la energía.

Sensores activos En este tipo de sensores, se generan señales representativas de las magnitudes a medir de forma autónoma, sin requerir de fuente externa de alimentación. Dentro de este tipo podemos encontrar sensores piezoeléctricos, fotovoltaicos, termoeléctricos, entre otros.

Sensores pasivos En este tipo de sensores, se generan señales representativas de las magnitudes a medir por intermedio de una fuente auxiliar. Dentro de este tipo tenemos por ejemplo sensores de resistencia variable.

Acondicionamiento de señal Los acondicionadores de señal son los elementos del sistema de medida que ofrecen, a partir de la señal de salida de un sensor electrónico, una señal apta para ser presentada o registrada o que simplemente permita un procesamiento posterior mediante un equipo o instrumento estándar. Generalmente consisten en circuitos electrónicos que ofrecen funciones tales como, filtrado, amplificación, adaptación de impedancias, modulación, entre otros. Un ejemplo de acondicionamiento de señal es el puente de Wheatstone, circuito muy comúnmente utilizado.

Sensores resistivos Los sensores resistivos, son sensores basados en la variación de la resistencia eléctrica de un dispositivo, esto debido a que son muchas las magnitudes físicas que afectan al valor de la resistencia eléctrica de un material. Los sensores ocupados para este laboratorio son los siguientes. LDR Los LDR o fotorresistencias, son sensores que se basan en la variación de la resistencia eléctrica de un semiconductor al incidir en el la radiación óptica. Termistores Los termistores, son resistores variables con la temperatura, que está basado en semiconductores. Dependiendo de su coeficiente de temperatura, se clasifica en NTC cuando este es negativo o PTC cuando es positivo.

Desarrollo del práctico Curvas de calibración Sensor NTC Para esta experiencia de laboratorio, se comenzó abordando en el LM35, un sensor de temperatura, el cual estudiamos mediante el datasheet que ofrece el fabricante, con el fin de saber las condiciones que presenta su uso y observando los pines adecuados para su correcto uso. Una vez leídas las especificaciones, se realizó la primera medida del laboratorio, el cual fue medir la tensión salida 𝑉𝑡 que presenta cuando está a temperatura ambiente. Además en esta misma medición, se tomó la muestra de la resistencia NTC a esta misma temperatura, obteniendo los datos vistos en la tabla 1. 𝑉𝑡 𝑅𝑁𝑇𝐶

210 [𝑚𝑉] 5,26[𝑘Ω]

Tabla 1 LM35 a temperatura ambiente

Posteriormente y siguiendo la guía de laboratorio, se varió la tensión que alimenta la resistencia de 8,2Ω que se puede apreciar en la fig. 2 y se procedió a medir nuevamente la resistencia de la NTC para cada valor de 𝑉𝑡 . Tabulando los datos, obtuvimos la tabla 2. Tensión [V] 1 2 3 4 5 6 7

Resistencia [kΩ] 5,32 5,1 4,8 4,5 4 3,7 3,2

𝑉𝑡 [𝑚𝑉] 220 253 296 344 413 485 555

T °C 22 25.3 29.6 34.4 41.3 48.5 55.5

Tabla 2. Vt Vs resistencia según una tensión variable

De aquí, podemos apreciar que al ir variando la tensión de menos a más, el sensor o más precisamente dicho, la resistencia se va calentando, adquiriendo una mayor temperatura, y como es sabido, los NTC varían su resistencia con respecto a la temperatura, de forma tal que cuando esta aumenta disminuye la resistencia, lo cual se puede apreciar claramente en la tabla 2, pues al tener una mayor tensión, significa agregar mayor potencia a la resistencia, por lo tanto se va calentado cada vez más, por lo que su resistencia deberá ir bajando, además el valor de la temperatura se obtiene en forma de voltaje en la salida del LM35, 𝑉𝑡 , esta es una salida lineal equivalente a 10𝑚𝑉/°𝐶, donde como se dijo anteriormente va aumentando según aumenta la tensión de entrada, por ejemplo a 4𝑉 se tiene una 344𝑚𝑉 resistencia de 4,5𝐾Ω a una temperatura de 10 𝑚𝑉/°𝐶 = 34.4°𝐶. Se realizó la medición hasta los 7V, pues la resistencia soportaba como máximo 10W, por lo tanto, si aumentábamos aún más la tensión, se podría haber dañado.

En la figura 3 se observa una imagen que indica el último valor obtenido en estas mediciones, donde se muestra la tensión a 7𝑉 aplicados a la resistencia, y la tensión de salida del termistor 𝑉𝑡 .

Figura 3. Tensión aplicada a la resistencia vs tensión de salida Vt

En el grafico 1 se puede apreciar la curva de Resistencia vs Temperatura para el LM35, la cual confirma lo anteriormente dicho, donde a mayor temperatura menor resistencia.

Resistencia Vs Temperatura 6000

Resistencia Ω

5000 4000 3000 2000 1000 0

0

10

20

30

40

Temperatura °C Grafico 1. Resistencia vs Temperatura.

50

60

Sensor LDR Las siguientes mediciones realizadas, fueron tomadas con el sensor LDR. Con este sensor medimos la intensidad de luz que existía en el lugar y apreciamos como varía su resistencia en relación a este factor, tomando las muestras necesarias, con el fin de obtener la curva característica que presenta este sensor. Para estas mediciones utilizamos un Luxómetro, el cual nos informaba la intensidad de luz que existía y un multímetro digital para registrar las variaciones de resistencia del LDR. Tabulando los datos obtenidos, los podemos apreciar en la tabla 3. Cabe destacar que, para estas mediciones no se realizó ningún tipo de circuito, sino que se comparó directamente las mediciones del luxómetro con el voltímetro. R[Ω] 3800 770 758 500

Lux 23 255 570 1000

Tabla 3 Lux vs Resistencia LDR

Entonces, como se puede apreciar en la tabla 3, la resistencia del LDR varía de mayor a menor magnitud, a medida que se aumenta la intensidad de luz en el ambiente que se esté midiendo, por lo tanto a mayor intensidad de luz menor la resistencia del sensor. Esto se puede apreciar de mejor forma en el grafico 2.

Resistencia vs Lux Resistencia Ω

4000 3000 2000 1000 0 0

200

400

600

Lux Grafico 2. Resistencia vs Lux

800

1000

1200

Constantes del termistor NTC Después de obtener las curvas características del NTC y el LDR se nos pide obtener las constantes 𝑅𝑜 y 𝛽 que definen el comportamiento del termistor NTC, para esto utilizaremos las formulas 1) y 2). 𝑅𝑇 = 𝑅𝑜 𝑒 𝛽=

1 1 𝛽( − ) 𝑇 𝑇0

𝑇0 𝑇1 𝑅1 ln( ) 𝑇0 − 𝑇1 𝑅0

(1) (2)

Donde: 𝑅0 Es la resistencia a temperatura ambiente. 𝑅𝑇 Es la resistencia a un valor de temperatura determinado. 𝛽 Es el índice de sensibilidad del termistor. 𝑇0 Es la temperatura ambiente. 𝑇1 Es una temperatura determinada. Por lo tanto según las mediciones realizadas 𝑅0 = 5,32𝑘Ω y 𝑇0 = 22°𝐶 a partir de esto pordemos determinar el índice de sensibilidad 𝛽. Escogiendo una temperatura determinada a 29,6°𝐶 y a 𝑅1 = 4,8𝑘Ω asi: 𝛽=

𝑇0 𝑇1 𝑅1 ln ( ) = 8,81°𝐶 𝑇0 − 𝑇1 𝑅0

Así quedan definidas las constantes 𝑅0 = 5,32𝑘Ω y 𝛽 = 8,81°𝐶.

Diseño de circuitos para el termistor NTC Previamente a la realización del laboratorio se realizaron los diseños de un puente de Wheatstone y un amplificador con AOPs, con el objetivo de utilizarlos para obtener la señal que envía el termistor NTC. Puente de Wheatstone El circuito del puente está definido en la fig 1, para determinar los valores de resistencias se utilizó la ecuación 3). (𝑅1 ∗ (𝑅3 + 𝑃𝑜𝑡) = 𝑅𝑥 ∗ 𝑅2 Definiendo 𝑅1 = 𝑅2 = 1𝑘, se tiene: 𝑅3 = 𝑅𝑥 ∗ 𝑃𝑜𝑡

3)

Como 𝑅𝑥 es la resistencia del NTC, que para efectos de cálculos lo determinamos a la temperatura ambiente, por lo tanto 𝑅𝑥 = 5,32𝑘Ω. Así 𝑅3 = 4,7𝑘Ω aproximado a un valor comercial. Para calibrar este puente y comprobar que se realizaron los cálculos correctos se realizó una simulación la cual se observa en la figura 4.

Figura 4. Simulación puente de Wheatstone.

Como se observa en la figura 4, con los valores obtenidos se logra el equilibrio, ya que los −72.021𝑝𝑉 se pueden considerar como 0. Con esto se puede utilizar el puente de Wheatstone para obtener los valores resistivos del termistor. Esta calibración se realizó en el laboratorio, obteniendo un resultado satisfactorio, ya que como se observa en la figura 5 se obtiene 0V, comprobándose el equilibrio del sistema.

Figura 5. Calibración puente Wheatstone.

Amplificador con AOPs Para el diseño del amplificador con AOPs, se tiene como condiciones que el circuito debe entregar un nivel 1 compatible con lógica TTL, cuando la temperatura en el termistor exceda los 40°C. Para esto se utilizaron dos AOPs configurados como inversores, en la figura 6 se muestra de mejor forma como están configurados. VDD 12.0V R1

R6

12.5kΩ

3

U2

3 6

R5

2

1kΩ

2

4

V1 1kΩ 400mV

741

741

4

R2

6

1

7 1

7

5

U1

5

1kΩ

VSS -12V

Figura 6. Amplificador con AOPs

Los valores de las resistencias se obtuvieron a partir de la ecuación 4). 𝑅

𝑉𝑜 = − 𝑅2 ∗ 𝑉𝑖 1

4)

Donde el volteje de entrada son los 400𝑚𝑉 y el voltaje de salida es 𝑉𝑜 = 5𝑉, haciendo 𝑅1 = 1𝑘, se tiene 𝑅1 =

𝑅2 𝑉𝑜

∗ 𝑉𝑖 = 12,5𝑘Ω

5)

Como a la salida del primer AO la salida es negativa, se utiliza otro inversor para invertir la señal y obtener una salida positiva. Para comprobar estos cálculos se simularon en el software MULTISIM, obteniendo los resultados esperados, además el hecho de simular nos da una idea de cómo realizar las conexiones y que valores obtendremos en el laboratorio. En la figura 7 se puede observar cómo se realizó esta simulación.

Figura 7. Simulación amplificador con AOPs

Además en la figura 7 se observa que si aplicamos una tensión de 400mV se obtendrá a la salida una de aproximadamente 5V, recordando que los 5V representa un nivel 1 en lógica TTL. En laboratorio se montó el mismo circuito, haciendo llegar a la entrada la señal de salida del termistor, el cual se fue calentando de la misma forma anteriormente descrita, aumentando la tensión para que la resistencia se caliente. En la figura 8 se observa una medición a los 156𝑚𝑉 como entrada y una salida del sistema de 1.88𝑚𝑉, donde queda demostrado que a una tensión menor a los 400𝑚𝑉 aun no se obtiene un nivel 1.

Figura 8. Entrada vs Salida del amplificador con AOPs.

Luego se siguió aumentando la temperatura hasta los 40°𝐶 o 400𝑚𝑉, obteniendo una salida con nivel 1, como se observa en la figura 9, con esto se puede comprobar que el sistema funciona para poder amplificar la señal de salida del termistor.

Figura 9. Entrada vs Salida del amplificador con AOPs.

Este sistema se puede utilizar por ejemplo para activar una alarma, donde si el termistor detecta una cierta temperatura el sistema activa la alarma haciéndole llegar un 1 en lógica TTL.

Conclusiones -

En este informe se analizó las características que presentan los sensores LM35, LDR. Para ello se tomaron muestras a distintas medidas de temperatura y luz para cada sensor respectivamente y estos datos se tabularon y se formaron gráficas.

-

Cuando medimos la intensidad de luz con el luxómetro, apreciamos que poseía una sensibilidad muy alta, por lo que costaba tomar una muestra precisa de la cantidad de luz que existía en tal punto. Además con el fin de obtener más muestras, se hizo útil el uso de una linterna, con el cual pudimos variar en mayores rangos la luz, pero de esta forma, fue más inestable tomar una muestra precisa.

-

El circuito acondicionador presentado para cuando el termistor exceda los 40°C se puede mejor mediante un amplificador de instrumentación, pues se obtendría una mayor precisión de la ganancia y se obtendría una tensión más exacta al nivel “1” en lógica TTL.

-

Para el experimento con el sensor LM35, en el cual variamos la tensión con el fin de ir calentado la resistencia, se puede apreciar claramente que la NTC varia su resistencia dependiendo de la temperatura, teniendo una mayor magnitud cuando existe una menor temperatura en el lugar que se esté midiendo.

-

Con respecto a la gráfica que muestra la cantidad de lux y la resistencia de la LDR, podemos apreciar que su respuesta no es lineal, pues hay un punto de inflexión en el cual la resistencia del LDR se mantiene constante.

-

Además de analizar por si solos estos sensores, también fue necesario diseñar circuitos que acondicionen la señal para así darles una mayor utilidad a estos sensores, por ejemplo en el caso del sistema con AOPs, el sensor por si solo indica temperatura, pero con el circuito diseñado tiene más aplicaciones como activando una alarma.

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Los análisis y estudio hechos en este laboratorio, nos fueron de gran ayuda para aprender sobre el comportamiento de este tipo de sensores, aprendiendo sobren sus características principales y de cómo se puede calibrar para obtener resultados precisos.

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Una manera de mejorar la experiencia práctica es trabajar con elementos de menor tolerancia, así se obtendrán resultados más precisos.

Referencias [1] Areny, R. P. (2004). Sensores y acondicionadores de señal. Marcombo. [2] Franco, S. E. B. (2005). Diseño con amplificadores operacionales y circuitos integrados analógicos.

Datasheet LM35: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf