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Práctica - Medidor de temperatura en Centígrados y Fahrenheit - Amplificadores operacionales


En esta práctica realizaremos un medidor de temperatura con amplificadores operacionales, un sensor LM335, y un circuito integrado LM336, este termómetro será capaz de entregar la temperatura en grados centígrados y grados Fahrenheit.

Sensor LM335-Z

La función de este sensor es medir la temperatura, tiene un voltaje de salida proporcional (Lineal) a la temperatura de 10mV / K, por ejemplo, si el sensor aumenta su voltaje de salida 50 mV significa que subió la temperatura 5 Kelvin. En cuestión de corriente, este sensor funciona en un rango de 400 µA a 5 mA. Su diagrama interno es el siguiente:

Práctica - Medidor de temperatura en Centígrados y Fahrenheit - 1

Diagrama interno LM335Z

Circuito LM336-Z

Este circuito integrado tiene como función actuar como regulador de voltaje menor a 5 volts. Te entrega un voltaje estable, por lo que puede usarse en circuitos para obtener voltajes de referencia positivos y negativos.

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Diagrama interno LM336Z

Conversión de temperatura K - ℃

Para convertir de Kelvin a grados Centígrados se utiliza la siguiente formula:

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Conversión de temperatura ℃ - ℉

Para convertir de grados Centígrados a grados Fahrenheit se utiliza la siguiente formula:

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Configuraciones de OpAmps utilizadas

En esta práctica utilizaremos varias configuraciones, puedes consultar el marco teórico de cada uno de ellos en los siguientes enlaces, ahí obtendrás una explicación detallada de cada configuración y como obtener su ecuación de voltaje de salida:


Amplificador no inversor

Seguidor de voltaje

Restador

Sumador no inversor

Circuito eléctrico

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Figura 1- Circuito medidor de temperatura

Configurando sensor LM335 y circuito LM336

La temperatura en el ambiente que estamos realizando la práctica es de 24.85 grados centígrados, que en Kelvin es 298 K, por lo que del sensor de temperatura LM335Z, debemos calibrarlo hasta obtener un voltaje de salida de 2.98v. Para eso utilizaremos un potenciómetro de 10kΩ y una R1 de 5.6kΩ y se conectará de la siguiente manera:

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El circuito integrado LM336Z lo utilizaremos para obtener un voltaje de referencia, básicamente nos dará un voltaje regulado que necesitaremos para posteriores configuraciones de AmpOps, como propuesta será de 2.49v, por lo que debemos calibrarlo hasta obtener un voltaje de salida de 2.49v. Para eso utilizaremos un potenciómetro de 10kΩ y una RS de 5.6kΩ y se conectará de la siguiente manera:

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Después pondremos seguidores de voltaje en caso de que el sensor y el circuito integrado no logren darnos la corriente solicitada. Estos seguidores se pueden observar en el amplificador 1 y 2 de la figura 1.

Configuración para convertir de Kelvin a grados Centígrados

Como el sensor nos da la temperatura en Kelvin, para poder pasarlo a grados centígrados debemos restarle 273, que en nuestro caso seria 2.73 volts. El voltaje principal lo sacaremos del circuito LM336, que tenemos calibrado a un voltaje de 2.49 volts. Por lo tanto, debemos darle una ganancia de:

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Esta ganancia la podremos lograr con un amplificador no inversor, cuyo voltaje de salida es:

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Por lo tanto:

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Si proponemos una Rf de 1kΩ:

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Esta configuración está en el amplificador 4 de la figura 1.



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Ahora ya podemos restarle ese voltaje de 2.73 a los Kelvin. Por lo tanto, utilizamos un amplificador restador con todas las resistencias iguales, para no obtener ninguna ganancia, solo la resta (Amplificador 3). Ahora debemos amplificar por 10 esta salida, para obtener en el multímetro una lectura adecuada de los grados centígrados y pueda visualizarse bien, si dejamos la salida sin amplificar, obtendremos un voltaje de salida en orden de mV, amplificando por 10 obtendremos una salida en orden de volts (V). Para eso utilizamos un amplificador no inversor con una ganancia de 10.

Su voltaje de salida es:

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Por lo tanto:

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Si proponemos una Rf de 9kΩ:

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Y en la salida de ese amplificador obtendremos el valor de la temperatura en grados centígrados, puede visualizarse esta configuración en el amplificador 6.

Configuración para convertir de grados Centígrados a Fahrenheit

Para obtener la temperatura en grados Fahrenheit se utiliza la siguiente formula:

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Ya tenemos la temperatura en grados Centígrados, por lo que, según la ecuación anterior, debemos multiplicarla por 1.8 y sumarle 3.2 volts. Primeramente, multiplicaremos por 1.8 (amplificador 7), para eso podemos utilizar un amplificador no inversor.

Su voltaje de salida es:

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Por lo tanto:

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Si proponemos una Rf de 1kΩ:

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Con esas resistencias obtendremos la configuración deseada. Ahora necesitamos sumarle 3.2 volts. El voltaje principal lo obtendremos nuevamente del circuito LM336, que calibramos con un voltaje de salida de 2.49 volts. Por lo tanto, requerimos la siguiente ganancia:

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Esta ganancia la podremos lograr con un amplificador no inversor, cuyo voltaje de salida es:

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Por lo tanto:

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Si proponemos una Rf de 1kΩ:

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Con esa configuración obtendremos un voltaje de salida de 3.2 volts, y podemos encontrarlo en el amplificador 5.

Finalmente solo queda sumar la salida del amplificador con ganancia de 1.8 (amplificador 7) y el voltaje de 3.2 generado previamente. Esto lo logramos con un amplificador sumador no inversor con todas las resistencias iguales (Amplificador 8). Y en esa salida obtendremos nuestra temperatura en grados Fahrenheit.

Resultados

Temperatura medida en el circuito y temperatura ideal

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Medidas en grados Fahrenheit y en grados Centígrados

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Circuito físico

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