Amplificando un Sensor de Temperatura Analógico

Electrónica y Automatización – C. E. Integrados

Docente:
Edgar Mamani

Alumnos :

• Benito Mendoza, Gabriela
• Berenguel Vera P, José
• Valdivia Apaza, Percy

Desarrollo

1.    Descripción del OPAMP como Amplificador INVERSOR.

              Se llama así este montaje porque la señal de salida es inversa de la de entrada, en polaridad, aunque pude ser mayor, igual o menor, dependiendo esto de la ganancia que le demos al amplificador en lazo cerrado. La señal, como vemos en la figura, se aplica al terminal inversor o negativo del amplificador y el positivo o no inversor se lleva a masa. La resistencia R2, que va desde la salida al terminal de entrada negativo, se llama de realimentación.

2.    Descripción del OPAMP como Amplificador NO INVERSOR.

Este circuito es muy parecido al inversor, la diferencia es que la señal se introduce por el terminal no inversor, lo cual va a significar que la señal de salida estará en fase con la señal de entrada y amplificada.El análisis matemático será igual que en el montaje inversor.

en este caso la ganancia será:

3.    Amplificación de un voltaje DC desde un Potenciómetro.

Se analizó el circuito mostrado (configuración del amplificador). Por lo cual se procedió a simular el mismo con ayuda del software PROTEUS, para analizarlo y luego implementarlo. Se requiere obtener una amplificación de 10 veces, para lo cual nuestra relación de resistencias (R₂/R₁) nos debe dar 9, para lo cual se usaron resistencias con valores de 10 kΩ y 90 kΩ, de 1 kΩ y 9 kΩ. Las cuales cumplen con nuestra formula de G=1 + R₂/R₁.

Cabe especificar que para valores de resistencias muy pequeñas no cumple la amplificación según la ecuación mencionada líneas arriba.

Otra situación que se pudo ver es que si el voltaje de entrada (Vin=5V), lo cual significa que nuestro potenciómetro está en 0 Ω, teóricamente nuestro voltaje de salida seria  50V de acuerdo a la ecuación de ganancia ya mencionada líneas arriba, en cambio se obtiene, 13.5V a la salida, debido a que el voltaje de alimentación del OPAMP es de 15V, por lo que no se puede pasar este límite.

Cabe acotar que cuando la amplificación no es exacta, esto se debe al ruido u offset que genera el OPAMP, y esto no puede ser ajustado debido a que este C.I ya tiene un offset fijo interno y no cuenta con terminales para el ajuste del offset, como por ejemplo el C.I TL081.

Luego del análisis con el simulador paramos a implementarlo en físico.

4.    Amplificación del sensor de temperatura LM35

Se analizó el circuito mostrado (configuración del amplificador). Por lo cual se procedió a simular el mismo con el software PROTEUS, para analizarlo e implementarlo. También se desea una amplificación de 10 veces, al igual que en la pregunta anterior, para lo cual los valores que usaremos serán de 10 kΩ y 90 kΩ.

Luego del análisis con el simulador paramos a implementarlo en físico, para lo cual en la práctica se usaron resistencias de 100 kΩ y dos resistencias en serie de 10 kΩ y 1 kΩ, para obtener una ganancia de 10. Medimos el voltaje de entrada, el cual nos da 270 mV o 0.27 V.

Y a la salida del OPAMP medimos también el voltaje, el cual nos da -2.58 V, amplificando nuestros 0.27 V de voltaje en la entrada.

5.    Observaciones y Conclusiones

Observaciones

-          Para conseguir una ganancia de 10 se necesitaba que el cociente entre las dos resistencias del circuito del valor 9, pero dado que no hay resistencias comerciales que den ese valor, nos aproximamos a ese valor con una resistencia de 100k y dos de 10k y 1k en serie.

-          Simulando el circuito observamos que cuando utilizamos resistencias con valores muy bajos como 10 y 90 ohmios, el circuito no amplifica el voltaje según la ecuación dada.

Para otros casos con valores diferentes de resistencias pero que el cociente siempre nos de 9, se cumple.

-           También observamos que el voltaje amplificado nunca va superar al voltaje de alimentación del OPAMP, incluso va a ser menor.

-          El OPAMP usado en el laboratorio, TL082, no posee pines para poder regular o calibrar su voltaje offset, por lo que, el valor arrojado en la amplificación nunca va ser exacto al de la ecuación.

-          Según lo observado el LM35 cambia el valor de su resistencia cuando cambia la temperatura, esto hace variar el voltaje a la entrada del OPAMP.

-          Como la configuración usada en el circuito con el LM35 es amplificador inversor, obtenemos un voltaje negativo o también podríamos decir desfasado 180 grados.

Conclusiones

-          Concluimos que la ecuación de ganancia para la configuración amplificador inversor y no inversor se cumple en nuestra experiencia. En el caso de que la ganancia sobrepase el voltaje de alimentación, esto no se cumplirá. Tener en cuenta también que la salida será negativa en la configuración amplificador inversor.

-          Aprendimos que el valor de amplificación en nuestro experimento no es ideal, ya que debido al voltaje offset obtenemos un pequeño error en la salida.

-          El voltaje offset puede ser ajustado para algunos C.I. y para otros no como el caso nuestro.

-          Aprendimos que el sensor de temperatura LM35 funciona como un divisor de tensión a la entrada de señal del OPAMP, esto gracias a que su resistencia varia cuando la temperatura que está midiendo cambia.

-          Podríamos colocar algún circuito integrado a la salida del OPAM para poder leer en grados Celsius la temperatura y no en mili voltios como lo estamos haciendo.

            TEMA DE INVESTIGACIÓN

  ¿Cómo seleccionar un OPAMP de manera correcta?  ¿Qué factores se deben tener en cuenta?

Un amplificador operacional ideal debería reunir las siguientes características:

·         a) Ganancia en lazo abierto (A) infinita.

·         b) Ancho de banda infinito.

·         c) Impedancia de entrada infinita.

·         d) Impedancia de salida nula.

Como consecuencia de estas características, tenemos:

Como A tiende a infinito, Vi tenderá a 0.Como Zent. Es muy elevada, Ii será 0.Cuando se cumple Ii=0 y Vi=0 se dice que en la entrada existe una tierra virtual o cortocircuito virtual. Cortocircuito virtual o tierra virtual es pues el hecho de que entre dos puntos se cumple que a efectos de tensión es un cortocircuito y a efectos de intensidad un circuito abierto. También podemos decir que es aquel punto de un circuito que estando a 0V de tensión, no consume corriente.

Saturación.

Si introducimos en un amplificador operacional (A.O.) una cierta tensión de entrada, a la salida obtendremos esa misma tensión de entrada multiplicada por la ganancia Vo=A(Vi). Por ejemplo. Si un A.O. tiene una ganancia de 100.000 e introducimos una tensión de 1 voltio, se comprende fácilmente que a la salida no tendremos 100.000 voltios, sino que la tensión de salida estará limitada por la tensión de alimentación, por consiguiente la máxima tensión de salida de un A.O. es la tensión de alimentación, más exactamente el 90% de dicha tensión de alimentación; cuando el A.O. está en esta situación se dice que está saturado.

Averigue el funcionamiento del CI LM3914 y su diferencia con el CI LM3915.

Estos dos integrados son muy similares entre si, utilizados para la construcción de voltímetros, vúmetros, etc., ya que traducen la tensión presente en una de sus entradas en estados bajo/alto de sus diez salidas, pudiendo configurarse como un display de barra o de punto.

El LM3914 es un circuito integrado monolítico que censa el nivel de voltaje presente en su entrada, y controla 10 LEDs, proveyendo una escala lineal de 10 pasos. Dispone de un pin para cambiar el modo de funcionamiento, permitiendo elegir si la representación va a ser una barra de luz, o solo un punto. La corriente que circula por los LEDs es regulada y programable, de manera que no se necesitan resistencias individuales para cada uno de ellos. Esta característica, entre otras, le permite trabajar con menos de 3 voltios de alimentación.
El integrado contiene su propia referencia de tensión, y un divisor de voltaje de 10 etapas, cuyas salidas son las encargadas de manejar los LEDs. La entrada esta protegida contra sobre tensiones, por lo que no es necesario dotarlo de protecciones adicionales si no se esperan entradas que superen los 35 voltios.

El LM3915 difiere del LM3914 solamente en que en lugar de tener una escala lineal, posee una escala logarítmica, con una separación de +3db entre puntos de la escala. Esta característica lo hace ideal para las aplicaciones relacionadas con el audio, dado que la intensidad sonora también es función logarítmica.En este esquema también vemos una llave, que es la que nos permitirá seleccionar en cualquier momento el tipo de escala a utilizar (barra o punto). Los demás componentes solo se incluyen a efectos de adecuar la señal de audio a la entrada del LM3915.

 ¿Un OPAMP tiene límite de amplificación? 

Una de las limitaciones prácticas del op-amp, es que la ganancia en bucle abierto que es tan alta a frecuencias del rango de los kHz (desde 100.000 a un millón o mas), cae a una ganancia de uno a algunas frecuencias altas (por ejemplo de 1 a 10 MHz). Muchos op-amps contienen compensación interna que originan una atenuación de la ganancia de 6dB por octava, (como un filtro de paso bajo) a determinada frecuencia elegida, para estabilizar la unidad contra oscilaciones de alta frecuencia. En el 741 esta atenuación empieza a 100 kHz. Desde el comienzo de la atenuación, la acción de filtro tipo RC, lo lleva a un desplazamiento de fase empezando en 90º e incrementando a 120º, a 160º, conforme la ganancia se acerca a uno. Si el desplazamiento de fase alcanza 180º, la realimentación se vuelve positiva y el sistema puede oscilar.

¿Qué aplicaciones se le puede dar a un Controlador de Temperatura?

El control de temperatura juega un papel importante en los procesos industriales, el control adecuado de esta variable nos permite obtener una alta productividad, calidad en el producto y menos mermas del mismo, esto exige una alta precisión en el control de temperatura.

Las aplicaciones típicas son de procesos térmicos, hornos, calderas, inyección de plástico, cámaras de refrigeración, invernaderos, entre otras.