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REPBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA MINISTERIO DEL PODER POPULAR
PARA LA EDUCACIN UNIVERSITARIA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL FRANCISCO DE MIRANDA REA:
CIENCIAS DE LA SALUD
PROGRAMA DE INGENIERA BIOMDICA AULA MOVIL MARACAY EDO ARAGUA
[BIO - 543] BIOINSTRUMENTACIN I
EL DIODO COMO SENSOR DE TEMPERATURA
INVESTIGADORES
Acosta, Neil Leonardo A. CI: 13.953.856
Solano, Rafael CI: 9.687.711
Gonzlez, Jos CI: 19.004.492
FACILITADOR
Prof. Juan Muoz
Maracay, 30 de Mayo de 2015
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SENSOR DE TEMPERATURA
Existen diferentes formas de sensores de temperatura: Resistores
trmicos (RTDs y termistores), termopares y dispositivos
semiconductores de unin PN. Aunque existen diversas aplicaciones
para las diferentes formas de sensores, stas dependen de parmetros
clave y otros factores de diseo que normalmente favorecen una forma
de sensor sobre otra.
Los resistores trmicos son elementos conductores diseados para
variar su resistencia elctrica de manera predecible al aplicar
cambios en temperatura. Los termopares funcionan en base a la termo
electricidad (aquella electricidad generada por calor), que fue
descubierta por Thomas Seebeck en 1821 y que posteriormente
Becquerel utiliz para medir temperatura.
Por ltimo si un diodo rectificador de estado-slido se conecta a
un ohmmetro, la
resistencia debido a la polarizacin en forma directa del diodo a
temperatura ambiente puede ser medida. Si el diodo se calienta
temporalmente el ohmmetro desplegar un decremento en la resistencia
conforme la temperatura aumenta.
Dado lo anterior, la seleccin de un sensor de temperatura sobre
otro implica hacer una serie de compromisos entre las
caractersticas disponibles que de acuerdo con Trietley las ms
importantes son: rango de temperatura, sensitividad, exactitud,
linealidad y costo.
Normalmente los dispositivos con rangos ms amplios ofrecen menor
sensitividad. Por otro lado la exactitud y el costo se relacionan
ya que el esfuerzo necesario para mantener un alto nivel de
exactitud requiere atencin adicional a materiales, detalles de
manufactura y pruebas.
EL DIODO COMO SENSOR DE TEMPERATURA
La mayora de los semiconductores sensores de temperatura se
basan en la variacin
de dos cantidades sensibles a la temperatura como son: el
voltaje de polarizacin directa de una unin P N y la resistencia
propia del silicio sometido a algn proceso de dopaje. Esa variacin
de voltaje y resistencia es aproximadamente lineal.
Una unin P N (ya sea un diodo o la unin base emisor de un
transistor) requiere
0.7V a una temperatura de 25C cuando est polarizado
directamente. Conforme la temperatura aumenta, este voltaje decrece
en aproximadamente -2mV/C. De forma que los diodos y transistores
se utilizan algunas veces como sensores de temperatura,
especialmente en aplicaciones de compensacin donde la exactitud
absoluta no es importante.
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Figura 1 Medicin de la resistencia de un diodo al ser
calentado.
La sensibilidad exacta depende del dopaje, la geometra de la
unin y la densidad de corriente, de forma que es posible ajustar
sensibilidades individuales cambiando la corriente en cada
caso.
Figura 2 Curvas de resistencia vs. Temperatura de un tpico
termistor PTC de Silicio.
Existen varias familias diferentes de sensores de temperatura en
circuitos integrados, cuyo rango de operacin generalmente vara
entre -55C a +150C o menos, son dispositivos bastante lineales, sin
embargo sus exactitudes y estabilidades, as como la variedad de
empaques y ensambles disponibles, no son ni siquiera cercanamente
iguales a otros tipos de sensores de temperatura. Otra desventaja
es que los circuitos de silicio son afectados adversamente por la
humedad y ambientes contaminantes, al tiempo que es sensible a
influencias ambientales como interferencia electromagntica y a la
luz visible, sin embargo el costo de este tipo de dispositivos es
en muchos casos, menor a los dems dispositivos existentes.
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CONSTRUCCIN Y CHEQUEO UN SENSOR DE TEMPERATURA.
De lo discutido hasta el momento podemos observar que en
realidad ya no hay mucho misterio detrs del diodo como sensor de
temperatura, efectivamente si es posible. Por lo que recordando el
objetivo de este tema se decidi buscar la informacin necesaria y al
menor costo posible para fabricar un sensor de temperatura basado
en un diodo 1N4148 el cual nos permita a la vez montar dos
circuitos electrnicos de pruebas en el simulador virtual LiveWire
versin 1.11 en primer lugar y luego en fsico para que sirvan de
experimentos en clase.
La eleccin de este dispositivo se debi a que presenta linealidad
bastante aceptable en el rango de 0C a 100C.
Figura 3 Elementos para el transductor de temperatura.
Primero se debe realizar una especie de termo pozo al soldar un
par de cables de cobre a los extremos de un diodo 1N4148 y cubrirlo
con thermofit, de esta forma el dispositivo poda ser sumergido sin
ningn problema en el agua.
Figura 4 Transductor de Temperatura.
Despus se debe conseguir suficiente hielo y colocarlo en un
recipiente que soporte frio y calor por encima de los mencionados
rangos, en l se sumergir el diodo atado a un termmetro de mercurio
con un rango de 0C a 100C, como se muestra en la Figura 5, con la
idea de medir temperaturas cercanas a 0C.
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Figura 5 Diodo y Termmetro.
El recipiente se colocara luego sobre una estufa a gas o
elctrica de forma que la
temperatura empiece a aumentar hasta un valor cercano a los
100C. Conforme la temperatura aumente, gracias al calor generado
por la estufa, se comparara la escala de temperatura del termmetro
con la lectura del Ohmmetro a diferentes intervalos. Y se
registrara estos valores en una tabla.
Cabe aclarar que en la primera medicin a realizar, el diodo se
conectara directo al Ohmmetro, pero debido al largo tiempo
requerido para una estabilizacin de la temperatura (y por ende una
lectura correcta tanto del termmetro como del Ohmmetro) el voltaje
en las bateras podra empezar a disminuir, lo que hara que al
terminar de capturar la tabla, sta estuviera incorrecta dado que el
voltaje aplicado no sera constante durante todo el experimento.
El hecho de que el voltaje vare, afecta el experimento, ya que
modifica la corriente que pasa a travs del diodo, con lo que el
voltaje de polarizacin del diodo se vuelve una funcin que depende
de dos variables: corriente y temperatura. Debido a esto, se
encuentra recomendable repetir la medicin, pero ahora utilizando un
regulador de voltaje. de la empresa Microchip el modelo usado fue
el MCP1700 5002 que a una temperatura de 25C entrega un voltaje de
5V 0.4% a partir de tan slo 5.6V, a diferencia del L7805 que regula
a partir de 7V, de acuerdo con las hojas de especificaciones.
Figura 6 Voltaje de Salida vs. Voltaje de Entrada del MCP1700
5002.
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Previendo el circuito que se iba a realizar para acondicionar la
seal posteriormente se conect el diodo entre un potencimetro de 20k
ajustado a un valor de 17.56k y una resistencia de 1k, de forma que
todas las resistencias conectadas respeten el lmite inferior de
operacin sugerido para un buen funcionamiento (R1k).
Figura 7 Alimentacin del Sensor a travs del regulador.
De este modo se encontr que el voltaje de polarizacin del diodo
se reduce conforme aumenta la temperatura (Ver Tabla 8). Gracias al
regulador la corriente suministrada al diodo sera constante y las
variaciones en el voltaje eran debidas slo al cambio de
temperatura.
Figura 8 Lecturas del Termmetro y Voltmetro.
Figura 9 Dependencia del voltaje de la fuente. (Medicin y
aproximacin lineal).
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De acuerdo con la Figura 9, que muestra los puntos de la medicin
as como su recta de mejor ajuste, se puede suponer que el hecho de
que el voltaje en las pilas disminuya, simplemente provoca un
desplazamiento hacia abajo de la lnea con respecto al punto ptimo,
es decir, cuando las pilas estn completamente cargadas. Sin
embargo, la nica forma de comprobar que slo haba un desplazamiento
(u offset) del punto de partida era volver a realizar el mismo
experimento variando la temperatura para diferentes valores de
voltaje de la fuente. Las tablas de estos otros dos experimentos se
incluyen en el Apndice G. Por otro lado la Figura 10 muestra que
nuestra suposicin fue correcta dado que para diferentes voltajes de
alimentacin se crea una familia de rectas prcticamente paralelas,
cuyo cruce con el eje vertical es dependiente del valor de voltaje
provisto por la fuente.
Figura 10 Variacin del voltaje de polarizacin a diferentes
voltajes de alimentacin.
Nuevamente podemos observar la ventaja de utilizar el regulador
de voltaje, ya que
sin l tendramos esta familia de rectas correspondientes a los
diferentes voltajes de las bateras, y deberamos realizar un ajuste
diferente para cada una de ellas, de forma que a una temperatura
dada siempre tuviramos el mismo voltaje despus de haber
acondicionado la seal producida por el diodo, sin importar si las
bateras estn completamente cargadas o no. Mediante el uso del
regulador MCP1700 5002 no importa el voltaje presente en las
bateras, el diodo siempre va a dar la misma recta mostrada en la
Figura 11
Figura 11 Voltaje de polarizacin del diodo usando el regulador
de voltaje.
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Aplicando las tcnicas de regresin lineal para los datos de la
Figura 8 observamos que el coeficiente de correlacin es muy alto
(R2=0.9999) y del mismo modo obtenemos la Ecuacin:
Vd = .0022 T + .6071 Donde T = Temperatura (C)
De esta forma, podemos ver que cada vez que la temperatura
aumenta en 1C, el
voltaje de polarizacin del diodo se reduce en 2.2mV. La variacin
mxima del voltaje debido a la temperatura es bastante pequea (176mV
para un cambio de 0C a 80C), en otras palabras, si conectramos el
diodo de forma directa al puerto del RCX, sabiendo que el voltaje
vara nicamente 2.2mV por cada grado, necesitaramos que el RCX
tuviera una resolucin muy grande para poder determinar la
temperatura correcta.
CIRCUITOS ELECTRNICOS DE PRUEBAS
CIRCUITO NRO 1.
En este circuito experimentaremos con la temperatura y se
comprobar su influencia en el funcionamiento de los circuitos. La
temperatura afecta a los circuitos de tal manera que no solo puede
llegar a destruirlos o averiarlos, sino tambin puede interferir en
su funcionamiento.
Funcionamiento
El principal componente de este circuito es un diodo 1N4148 de
uso corriente que har la funcin de un sensor de temperatura, los
dems componentes del circuito se utilizan para dar evidencia a los
cambios producidos por una diferencia de temperatura.
El diodo D1 est conectado entre el positivo y el negativo de la
alimentacin, separado del negativo por la resistencia R1 y del
positivo por la resistencia del potencimetro POT 1. El motivo de
esta configuracin es sencillo, cuando la temperatura del diodo D1
vare, lo har tambin la cada de tensin en el, por lo que las
entradas de la puerta NOR quedaran a negativo o a positivo, de esta
manera, a su salida (pin 3) tendremos una tensin positiva o
negativa respectivamente.
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En general, cuando a la entrada de la puerta NOR tengamos una
tensin positiva el LED1 estar apagado y cuando tengamos a la
entrada una tensin negativa el LED1 se encender. Para ajustar la
sensibilidad del circuito utilizaremos el potencimetro POT 1.
Para comprobar el funcionamiento del circuito, giraremos el
potencimetro hasta
que el LED1 se apague. Tendremos que aplicar calor solo al diodo
D1, lo cual puede hacerse con la mano, pero si no conseguimos que
la temperatura suba demasiado podremos utilizar nuestro soldador de
estao.
La cada de tensin en nuestro diodo D1 disminuye 0,2 milivoltios
por cada grado
que sube la temperatura. Si queremos una mayor sensibilidad del
circuito, podremos sustituir el diodo D1 por
una resistencia PTC que es un componente fabricado para esta
funcin, pero como en nuestro experimento tan solo queremos ver la
influencia de la temperatura en el funcionamiento de los circuitos,
nos servir con el diodo 1N4148.
Lista de Componentes C1 = 10F (Condensador, Electro., 16v) C2 =
100nF (Condensador, Cermico, 50v) D1 = 1N4148 (Diodo Rectificador)
LED1 = (Diodo LED) POT 1 = 100k (Potencimetro, Lineal) R1 = 4k7
(Resistencia, 1/4W) R2 = 1k8 (Resistencia, 1/4W) U1 = 4001 (Puerta
Lgica, NOR)
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CIRCUITO NRO 2. CIRCUITO DE CONTROL POR DIFERENCIA DE
TEMPERATURA
El circuito mide la diferencia de temperatura entre dos sensores
(D1 D2) y activa un rel cuando la temperatura no es igual.
Tambin es posible detectar un cambio de temperatura, aunque la
temperatura que midan los sensores sea diferente, con ayuda de un
potencimetro. FUNCIONAMIENTO DEL CONTROL POR CAMBIO DE
TEMPERATURA
Para implementar el circuito se utilizan, como sensores de
temperatura, dos diodos semiconductores comunes (D1 y D2).
Como los nodos de los diodos estn conectados a las entradas de
un amplificador
operacional que trabaja como comparador, cualquier diferencia de
temperatura causar que ste d a su salida un voltaje bajo.
Estos diodos se colocan en los dos lugares cuyas temperaturas
deseamos comparar. Al haber una pequea variacin en la temperatura
de cualquiera de los diodos, el voltaje en sus terminales
disminuir.
- Si el diodo D1 se coloca en un lugar susceptible a que la
temperatura disminuya, el amplificador operacional dar a su salida
un nivel bajo y activar el rel a travs del transistor Q1. El
transistor podra activar un sistema de calefaccin o similar. - Si
el diodo D2 se coloca en un lugar susceptible a que la temperatura
aumente, el amplificador operacional dar a su salida un nivel bajo
y activar el rel a travs del transistor Q1. El transistor podra
activar un sistema de refrigeracin o ventilador.
Cuando la temperatura de los dos diodos vuelva a ser igual, se
desactivar el rel.
Observar que la inclusin del potencimetro permite variar el
funcionamiento del circuito a nuestro gusto.
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Nota: El circuito se puede alimentar con 9 voltios. Slo es
necesario cambiar el rel por uno del mismo voltaje. Lista de
Componentes - IC1: amplificador operacional 741. - Q1: transistor
bipolar PNP 2N3702 o equivalente - R1=R2: resistores de 4.7K -
R3=R4: resistores de 1.2K - R5: resistor de 2.7K - P: potencimetro
de 100K - D1=D2=D3: diodos 1N4001 - RL1: rel de 12V. Circuito
impreso sugerido
A continuacin se muestra el circuito impreso sugerido y un
aproximado de la apariencia del circuito final. (Ver diagrama
anterior)
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REFERENCIAS PGINAS WEB CONSULTADAS:
Circuito de control por diferencia de temperatura
http://www.unicrom.com/cir_control-por-cambio-temperatura.asp
Fuente fija de 5, 12 y -12 voltios
http://fuentesfijasdemicro2.blogspot.com/
Sensor de temperatura
http://www.tuelectronica.es/tutoriales/electronica/sensor-de-temperatura.html
SENSOR LINEAL DE TEMPERATURA CON DIODO 1N4148
https://www.youtube.com/watch?v=KROy0JOK3Xg DOCUMENTOS:
Principios de electrnica Sexta edicin Albert Paul Malvino West
Balley College McGRAW-HILYINTERAMERICANA DE ESPANA, S. A. U.