instrumentação eletrônica

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
INSTRUMENTAÇÃO ELETRÔNICA
PROJETO DE UM
TERMÔMETRO À DIODO
Prof. Luciano Fontes Cavalcanti
Aluno: José Clécio Francelino de Moura
Natal-RN
Abril/2007
1.- OBJETIVOS:
-Utilizar um diodo comum como sensor de temperatura,
-Encontrar a relação tensão do diodo versus temperatura
-Elaborar um circuito para utilizar um multímetro comum como termômetro utilizando como sensor de
temperatura um diodo.
2.- PROCEDIMENTOS:
-Escolha do diodo :
O diodo escolhido foi o LN4004, por ser de fácil obtenção no comércio local.
-Obtenção das características do diodo:
A característica mais importante para este projeto é a variação da tensão de polarização direta do
diodo versus temperatura. O datashheet do diodo, não traz explicitamente esta informação, então este dado foi
obtido experimentalmente, utilizando o circuito da figura 1.
Figura 01
O diodo foi isolado eletricamente com borracha de silicone e imerso em um vasilhame com água a 0°
e em outro vasilhame com água a 100°. Foram obtidos os seguintes dados:
0°C - - - - > 730mV
100°C - - > 587mV
Aplicando a equação (730-587)/100, conclui-se que o diodo experimentado possui uma queda de
tensão de 1,43mV/°C. A partir destes dados obteve-se a seguinte equação para a tensão do diodo:
Vd = - 1,43Tc + 730E- 3 [ V ]
Onde:
Vd = tensão do diodo em polarização direta
Tc = temperatura em °C.
3.- PROJETO DO CIRCUITO:
Deseja-se transformar a queda de tensão do diodo, dada pela fórmula :
Vd = - 1,43Tc + 730 [ mV ],
na seguinte tensão:
Vo = Tc [mV], Onde Vo = tensão de saída, em mV. (ver figura 2.)
Figura 01
Vo associa 1°C/mV, permitindo que seja feita a leitura direta da temperatura na escala de mV de um
multímetro. Para obter Vo, é preciso uma função que transforme Vd em Vo. Esta função é chamada Função
de Circuito ou Função de Transferência.
A função de transferência para este fim é:
H = ( -1 /1,43) . Vd + (730E-3) /1,43
O primeiro termo da função H ajusta a inclinação da reta Vd = = - 1,43Tc + 730E-3 para Vd’ = Tc –
(730E-3) /1,43. Utilizaremos para esta operação um amp op na configuração inversora e com ganho G = - 1
/1,43 (figura 3.)
Figura 03
É preciso ajustar o segundo termo da equação Vd’ = Tc – (730E- 3) / 1,43 para transforma-lo em Vo =
Tc. Utilizaremos um amp op na configuração subtrator para retirar este segundo termo (figura 4.)
Figura 04
Estas duas operações resultaram no circuito da figura 5. Este circuito possui:
H = ( -1 /1,43). Vd + (730E-3) /1,43, que transforma Vd em Vo.
-Fonte de alimentação:
Para tornar o protótipo mais compacto e de fácil locomoção, optou-se por utilizar apenas uma bateria
para a alimentação do circuito. Mas os amp op precisam de fonte simétrica para funcionar.
Foi utilizado um arranjo com diodo zener de modo a simular uma fonte simétrica a partir de uma única
bateria.
A figura 6 mostra o circuito em questão.
Figura 05
O diodo zener possui tensão zener da ordem de 4,5 Volts. Como a bateria é de 9 Volts, a queda de
tensão no resistor também é da ordem de 4,5 Volts. Utilizando como referencial terra o catodo do diodo zener,
teremos duas quedas de tensão simétricas.
Circuito Completo:
4.- CALIBRAÇÃO DO CIRCUITO:
1. Desligar pino 6 do 1º amp op e aterrar R4 que estava ligado neste pino.
2. Ligar um multímetro na escala de 2Vdc no pino 6 d o 2º amp op.
3. Ajustar TP2 pa ra obter 0,510 V no multímetro.
4. Religar pino 6 do 1º amp op e desfazer aterramento em R4.
5. Isolar eletricamente os terminais do diodo LN4004 e mergulhá-lo em um copo com gelo.
6. Esperar 2 minutos para o diodo atingir o equilíbrio térmico com o gelo.
7. Ajustar TP1 pa ra obter 0,00 mV no multímetro (escala de 200 mV ).
8. Retirar o diodo do copo com gelo e esperar até atingir a temperatura ambiente.
9. Com o auxílio de um termômetro em temperatura ambiente, reajustar TP2 para que a temperatura lida no
multímetro seja igual à do termômetro.
-
Cálculo da Resistência Estimada do potenciômetro:
V0=VxR1/(R1+R2)
(R1+R2)xV0=VxR1
V0xR1+V0xR2=VxR1
R2=(V-V0)xR1/V0
R2=(4,5-0,51)xR1/0,51
R2=7,82xR1
R2=RPOT-R1+R3
7,82xR1=RPOT+R3-R1
R1=(RPOT+R3)/8,82
Para R3=10k e RPOT=22K:
R1=3,62K
5.- RESULTADOS OBTIDOS:
A tabela a seguir mostra os resultados obtidos:
Multímetro
Termômetro
Erro
25,00
26,70
38,80
25,00
27,00
39,00
0,00%
-0,30%
-0,20%
Os erros de medida da temperatura com o circuito devem-se principalmente a não linearidade da
tensão do diodo versus temperatura e a variações de tensão no circuito devido ao offset dos amp op e
imprecisão nos ajustes.
6.- CONCLUSÃO
Comparando os resultados do projeto com o termômetro, estes foram satisfatórios. O circuito pode ser
utilizado como termômetro eletrônico portátil e de baixo custo, sendo de fácil construção.
Com o conhecimento adquirido é possível projetar desde termômetros até termostatos eletrônicos
utilizando o diodo como sensor de temperatura.
7.- REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA:
[1] Millman, Jacob. Eletrônica: dispositivos eletrônicos, 2ª Edição Vol 2,McGraw-Hill do Brasil,
1981.
[2] Sedra, Adrel S.; Smith, Kenneth C. Microeletrônica, Quarta Edição ,MAKRON Books, 2000.
[3] Boylestad, Robert
Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos, 3ª edição – Rio de Janeiro : Prentice-Hall do
Brasil, 1986.
[4] Anotações da disciplina Circuitos Eletrônicos II.
[5] http://www.eletrica.ufsj.edu.br/labeletroica.html
[6] Notas de Aulas da disciplina de Instrumentação Eletrônica