Indicador de Temperatura
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UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA
ESCOLA POLITÉCNICA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
LABORATÓRIO INTEGRADO III (ENGC37)
TÍTULO DO TRABALHO
Relatório Final
1. Introdução
O presente trabalho visa descrever os passos realizados para a confecção de um indicador
de faixas de temperatura baseado em Amplificadores Operacionais (AOP) e no sensor LM35,
como forma de avaliação final da matéria ENGC37 - Laboratório Integrado II, do curso de
Engenharia Elétrica da UFBA.
O projeto deve ser construído em 3 blocos, como mostra a Figura 1.
Figura 1
1/12
BLOCO1:
o Sensor LM35 e fonte de alimentação.
BLOCO2:
o AOP como amplificador não inversor,
o Ganho entre 1 e 100,
o Impedância de entrada entre 10K e 1M.
BLOCO3:
o Comparadores sem realimentação,
o LEDs indicadores das faixas de temperatura, junto dos quais deve constar as
respectivas faixas indicadas:
Baixa: temperatura inferior a 14ºC,
Média: temperatura entre 15ºC e 24ºC,
Alta: temperatura entre 25 ºC e 50ºC,
Superaquecimento: temperatura superior a 50ºC (este LED deve piscar).
A conclusão e objetivo das atividades é a confecção do produto com essas
características, com o circuito montado em placa de circuito impresso e guardado em uma
caixa final, para aferir a temperatura de líquidos (água).
2. Projeto e Simulação
2.1. Projeto Preliminar
O projeto foi feito com base nos blocos especificados, então foram seguidas as
seguintes etapas:
1. Estudo do sensor LM35
O LM35 consiste num termistor semicondutor montado em um circuito
integrado (CI) em junto com um circuito capaz de tratar o seu sinal. Sua saída é
linear, varia em 10mV a cada grau centígrado, sua faixa de operação de
temperatura (entre -55ºC e 150ºC) e de tensão de alimentação (entre 4V e 30V) o
tornam fácil de usar e excelente para o projeto.
A partir do datasheet do componente, foi escolhida a configuração indicada
na Figura 2. O sensor opera indicando temperaturas entre 2ºC e 150ºC, com
alimentação entre 4V e 20V.
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Figura 2
2. Escolha da fonte de alimentação
Tendo em mãos os dados sobre o funcionamento do sensor, faz-se
necessária a escolha da alimentação, item que irá limitar o funcionamento dos
outros blocos do circuito.
Foi escolhida a tensão de 5V para alimentar o circuito visando a facilidade
com que se encontra fontes de alimentação com esse valor de saída (fontes para
celular e porta USB dos computadores, por exemplo). Caso uma fonte não seja
encontrada com esse valor, o projeto prevê o uso do CI regulador de tensão 7805,
que aumenta a faixa de tensão de alimentação de 5V para algum valor entre 7V e
25V, abrindo a possibilidade para o uso de baterias.
3. Projeto do amplificador não inversor
Este amplificador consiste no circuito da Figura 3. Foi usado o CI LM324,
com as seguintes características favoráveis ao projeto:
a. Tensão de alimentação entre 3V e 32V,
b. 4 AOPs em um CI,
c. Tensão de offset entre 1mV e 9mV,
d. Saturação negativa em 0V quando usado com fonte simples,
e. Saturação positiva aproximadamente igual a Vcc - 2V.
O ganho pode ser calculado a partir da relação: Av = (1+R10/R11). Como nossa
alimentação é de 5V e a tensão máxima de saída do sensor que representa
informação vale 480mV (50ºC), o ganho máximo deve ser (5-2)/0,48 = 6,25.
Escolhemos então o ganho igual a 5 e calculamos os componentes como estão na
Figura 3. A fonte de 600mV em conjunto com o potenciômetro representam o LM35.
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Figura 3
4. Projeto do comparador
Essa foi a parte mais trabalhosa da etapa de projeto, demandando um
pouco mais de tempo e revisões.
A partir do projeto do amplificador, é possível calcular o divisor de tensão
responsável por indicar aos comparadores quais são as faixas de temperatura.
Segue tabela com valores e cálculos. A corrente usada foi de 1mA.
Temperatura (ºC)
Saída sensor (mV)
Saída amplificador (V)
Divisor de tensão (ohm)
Resistores comerciais
(ohm)Formula
14 120 0,6 600 560 0,6V/1mA24 220 1,1 500 470 (1,1-0,6)V/1mA50 480 2,4 1300 1200 (2,4-1,1)V/1mA 2600 2200 (5-2,4)/1mA
Tabela 1
A Figura 4 foi o primeiro comparador pensado. Os 3 AOPs operam como
comparadores sem realimentação, comparando as tensões do divisor de tensão
com o sinal de saída do amplificador não inversor. A decisão sobre qual LED
deveria acender é tomada for um circuito lógico combinacional.
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Figura 4
O circuito acima foi simplificado, até ser alcançado o circuito final da Figura
5. Seu funcionamento é parecido com o modelo anterior, exceto pelo modo como
os LEDs se acendem/apagam. O LED 1 indica temperatura abaixo de 14ºC,
enquanto que o LED4 indica temperatura acima de 50.
Analisando o circuito, é possível se observar que o LED 1 acende enquanto
U1B mantiver Vcc em sua saída. Se a temperatura ficar entre 14ºC e 24ºC, a saída
de U1B vai a 0V, fazendo com que o LED 1 se apague e o LED 2 acenda. A
medida que a temperatura aumenta, o processo se repete com os AOPs e LEDs
consecutivos. O oposto ocorre quando a temperatura cai, apagando o LED da faixa
superior e acendendo o da faixa inferior.
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Figura 5
5. Projeto dos LEDs
O projeto prevê que o LED indicador da ultima faixa de temperatura pisque
quando acionado. Para este fim, foi utilizado um LED que pisca que nada mais é do
que um LED comum com um circuito interno responsável pela temporização.
Os resistores limitadores de corrente foram calculador com base na formula
R=(5-2)V/6mA = 500ohm. Usamos então 4 resistores de 470ohm, valor comercial.
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2.2. Resultados de Simulação
Projeto concluído e componentes calculados, o circuito foi passado para o Multisim,
programa simulador de circuitos não gratuito da National Instruments. O esquema usado
durante a simulação encontra-se na Figura 6. Para que o ultimo LED pudesse piscar na
simulação, foi montado um bloco oscilador.
R518kΩKey=A
50%
R7470Ω
V15 V
R32.2kΩ
R4470Ω
R9560Ω
R21.2kΩ
R1470Ω
LED1
12
R6470Ω
LED2
13
R8330Ω
LED3
LED4
2
R103.9kΩ
R111kΩ
V2600mV
20
R13470Ω
LED5
C2100nFC3
10µF
16
U1A
LM324N
3
2
11
4
1
U1B
LM324N
5
6
11
4
7
U1C
LM324N
10
9
11
4
8
U1D
LM324N
12
13
11
4
14
19
10
9
14
6
11
5
4
7
SC1
Oscilador
IO1IO1
IO2IO2 IO3IO3 IO4IO4SC1/IO3
SC1/IO4
SC1/IO1
0
Figura 6
Durante a simulação, dados como tensões do divisor de tensão, ganho do
amplificador, tensões de saturação positiva e negativa dos comparadores foram
verificados e listado:
1. Divisor de tensão (as tensões abaixo são aquelas entre os terminais do
componente listado).
Resistor (ohm) Tensão calculada (V)
Tensão simulada (V)
560 0,6 0,632470 0,5 0,53
1200 1,3 1,3542200 2,6 2,483
Tabela 2
2. Ganho do amplificador não inversor
Calculado: Av = 5
Simulado: Av = Vout/Vin = 1,47/0,3 = 4,9 (estado escolhido aleatoriamente
para o calculo).
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3. Tensões de saturação dos comparadores
Tensões de saturação Teórico Simulado
Positiva 3V 3,57Negativa 0V - 0,56V
Tabela 3
Comparando os dados calculados com os medidos, obtivemos resultados bastante
satisfatórios e bem próximos do esperado. Uma observação a ser feita é a tensão
negativa na Tabela 3, sendo que usamos apenas fonte de tensão positiva. Isso se deve
ao fato de que os modelos do simulador não representam em sua totalidade os
componentes reais, devendo o projetista saber interpretar os valores obtidos.
3. Resultados Preliminares
3.1. Montagem e testes
A montagem foi feita em uma única placa de prototipagem e durou um pouco mais
de duas horas. Tomamos cuidado com os maus contados, fazendo o teste de
continuidades das ligações com o uso do multímetro.
Testes foram realizados ao fim da montagem, e pudemos observar algumas
ligações incorretas no bloco amplificador, rapidamente corrigidas.
O protótipo funcionou como era esperado, mas um detalhe prático pode ser
observado: nos momentos de transição entre duas faixas de temperatura, seus LEDs
permanecem acesos ao mesmo tempo. Nesse instante, a tensão diferencial na entrada
dos comparadores é muito pequena, e como o AOP possui ganho finito, o componente
passa a operar na região de amplificação linear, o que explica o fenômeno observado.
Uma solução para o problema é o uso de mais um bloco amplificador não inversor em
malha aberta, ligado em cascata na saída dos comparadores, de modo a aumentar o
ganho de tensão total e aproximar o conjunto do modelo ideal.
Alguns dados foram coletados durante os testes em protoboard para que
pudéssemos fazer as comparações possíveis:
1. Divisor de tensão (as tensões abaixo são aquelas entre os terminais do
componente listado).
Resistor (ohm) Tensão calculada (V)
Tensão simulada (V) Tensão medida (V)
560 0,60 0,632 0,62470 0,50 0,530 0,53
1200 1,30 1,354 1,332200 2,60 2,483 2,50
Tabela 4
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2. Ganho do amplificador não inversor
Calculado: Av = 5
Simulado: Av = Vout/Vin = 1,47/0,3 = 4,9
Medido: Av = Vout/Vin = 1,38/0,25 = 5,52
3. Tensões de saturação dos comparadores
Tensões de saturação Teórico Simulado Medido
Positiva 3V 3,57V 3,48VNegativa 0V - 0,56V 0,01V
Tabela 5
3.2. Modificações de Projeto
Nenhuma mudança foi feita nesta etapa. Oprojeto inicial manteve-se o mesmo.
4. Trabalho Final
4.1. Projeto Executado
O circuito efetivamente implementado foi o da figura abaixo:
R518kΩKey=A
43%
R7470Ω
V15 V
R32.2kΩ
R4470Ω
R9560Ω
R21.2kΩ
R1470Ω
LED1
12
R6470Ω
LED2
13
R8330Ω
LED3
LED4
2
R103.9kΩ
R111kΩ
V2600mV
20
C2100nFC3
10µF
16
U1A
LM324N
3
2
11
4
1
U1B
LM324N
5
6
11
4
7
U1C
LM324N
10
9
11
4
8
U1D
LM324N
12
13
11
4
14
10
7
9
14
6
5
19
22
23
0
4
Figura 7
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4.2. Placa de Circuito Impresso
O layout esquemático apresentado na Figura 8 foi desenvolvido exportando-se o esquema
feito em Multisim para o Ultiboard, uma ferramenta não gratuita para desenvolvimento de
placas de circuito impresso da National Instruments. O Ultiboard permite ainda visualizar o
aspecto final da placa de circuito impresso em visão 3D, como apresentado na Figura 9.
Figura 8
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Figura 9 – Visão final da placa de circuito impresso.
4.3. Produto Final
4.3.1. Acabamento final do produto
O circuito se apresenta impresso em placa de fenolite e condicionado numa caixa
de sabonete verde, por fins estéticos e de proteção. Os LEDs indicadores de faixas
de temperatura se encontram expostos através de orifícios no recipiente.
4.3.2. Instruções de uso
O dispositivo em é um indicador de faixas de temperatura. Pode ser utilizado para
monitoramento térmico de fluidos, motores, temperatura ambiente (alarme contra
incêndios) e outros em que se deseje aferir se uma determinada temperatura foi
atingida.
A sonda deve ser instalada em locais onde a temperatura varie entre 0ºC e 100ºC,
representando risco a segurança o seu uso fora dessas faixas. A caixa deve ser
mantida o mais distante possível da fonte de calor onde a sonda está inserida.
A fonte de alimentação deve ser conectada a uma rede elétrica com valores de
tensão que vão de 90V a 240V AC, fornecendo tensão constante na saída igual a 5V.
Pode-se também fazer uso de pilhas ou baterias, com a adição de um regulador de
tensão 7805 ao circuito.
O equipamento apresenta 4 LEDs, indicando as 4 faixas de temperatura indicadas
na caixa. Quando a temperatura de superaquecimento for atingida, o respectivo LED
irá piscar.
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4.4. Testes e Resultados
Ocircuito funcionou satisfatoriamente.
5. Comentários Finais
O desenvolvimento da atividade de projeto teinou nossas habilidades com pesquisa e
técnicas eletrônicas, adquirindo conhecimentos práticos sobre os AOP’s, sistemas de
sensoriamento, fontes dealimentaçãoe desenvolvimento de produtos.
Circuitos semelhantes poderiam ser utilizados para sensoriamento da iluminação, de
tensão elétrica sobre algum equipamento, da temperatura (nosso caso), e outras variáveis do
ambiente que podem ser convertidas em sinais elétricos através dos sensores.
Portanto, consideramos esta uma excelente oportunidade para extender nossos
conhecimentos teóricos ao mundo real, de poder observar que nem tudo (quase nada) que se
prevê com teoria matemáticae simulação ocorre na prática.
6. Referências bibliográficas
http://www.national.com/mpf/LM/LM324.html#Overview
http://www.national.com/mpf/LM/LM35.html#Overview
www. datasheet catalog.net/pt/ datasheets _pdf/7/8/0/5/ 7805 .shtml
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