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Warning: TT: undefined function: 32 Resumen – En el siguiente informe de laboratorio se presentan el análisis y diseño de un circuito de acondicionamiento para un LM35 a base de amplificadores operacionales, con el fin de estudiar las diferentes configuraciones que se pueden realizar con estos ampli...

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LINEALIZACION DE UN SENSOR LM35 A BASE DE AMPLIFICAADORES OPERACIONALES Cristhian David Sanclemente Paz (1810263 – Ingeniería Eléctrica) Luis Ferney Ortiz (1810387 – Ingeniería Eléctrica) Universidad Del Valle – Facultad De Ingeniería

Resumen – En el siguiente informe de laboratorio se presentan el análisis y diseño de un circuito de acondicionamiento para un LM35 a base de amplificadores operacionales, con el fin de estudiar las diferentes configuraciones que se pueden realizar con estos amplificadores, también se da a conocer sus configuraciones para las cuales nos permiten medir temperatura. Tiene una respuesta análoga en su salida, es decir, proporciona un voltaje dependiendo a la temperatura en la que se encuentra el sensor. El sensor tiene un rango desde −55°C a 150°C, en una apreciación más fondo de este elemento se realizaron los respectivos cálculos para obtener una salida de 1 volt cuando tiene una temperatura de 0° y para una salida de 5V se tiene una temperatura de 100°, se estudiaron las configuraciones de los amplificadores operaciones que ayudaron a entender su funcionamiento y algunos aplicativos, una configuración fue un sumador, en el caso de la práctica se utilizó un sumador no inversor con un arreglo de resistencias en configuración divisor de tensión obteniendo unas salidas deseadas, que llegarían a comparadores y de la salida de estos se reflejaría en una carga. Se realizo la simulación del circuito por medio del software proteus, con el cual se comprobó su funcionamiento para el montaje, por último, se podrá apreciar los respectivos cálculos que se hicieron para obtener los diferentes valores de resistencias a utilizar teniendo como factor principal la ganancia que se necesita obtener por medio de los amplificadores operaciones para lograr el buen funcionamiento del

circuito. En esta práctica requiere que por medio del sensor LM35 se pueda determinar diferentes rangos de temperatura a la cual se expondrá, el circuito tiene en su salida tres leds indicadores, que se enciende dependiendo de la temperatura que este detectando el sensor (verde > 30 grados), (amarillo > 50 grados), (rojo > 75 grados). I.

MARCO TEORICO

Los amplificadores operacionales son, dispositivos compactos activos y lineales de alta ganancia, diseñados para proporcionar la función de transferencia deseada. Un amplificador operacional (A.O.) está compuesto por un circuito electrónico que tiene dos entradas y una salida, como se describe más adelante. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia): Vout = G· (V+ – V-). Estos dispositivos se caracterizan por ser construidos en sus componentes más genéricos, dispuestos de modo que en cada momento se puede acceder a los puntos digamos «vitales» en donde se conectan los componentes externos cuya función es la de permitir al usuario modificar la respuesta y transferencia del dispositivo. Un amplificador operacional es un amplificador de alta ganancia directamente acoplado, que en general se alimenta con fuentes positivas y negativas, lo cual permite que obtenga excursiones tanto por arriba como por debajo de masa o punto de referencia que se considere. Se caracteriza especialmente porque su respuesta en: frecuencia,

cambio de fase y alta ganancia que se determina por la realimentación introducida externamente. Por su concepción, presenta una alta impedancia (Z) de entrada y muy baja de salida. El propósito definitivo de cualquier amplificador es aumentar la señal de un circuito en particular. Lo que diferencia a los amplificadores operacionales de los otros es que realizan algunos procesos matemáticos adicionales a la señal mientras la amplifican. Un amplificador operacional no inversor es esencialmente el tipo "base" que incrementa la ganancia de una señal electrónica sin ningún otro proceso adicional. Un amplificador operacional inversor aumentará la ganancia de la señal y también revertirá la polaridad de la señal de salida, de positivo a negativo o viceversa.

prácticamente nula, y es útil como un búfer, para eliminar efectos de carga o para adaptar impedancias (conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con baja impedancia y viceversa) y realizar mediciones de tensión de un sensor con una intensidad muy pequeña que no afecte sensiblemente a la medición.

Amplificador no inversor

Configuraciones de amplificadores operacionales: Seguidor de voltaje Un seguidor de voltaje es usado para aumentar la señal de circuitos con voltajes variables. Aplica el mismo tipo de aumento de ganancia que el amplificador estándar, pero se rastrearán variaciones en la ganancia de entrada y se emparejarán por la señal de salida. Este tipo de circuitos son a menudo usados por delante de otros sistemas para prevenir el daño por cambios súbitos de voltaje.

Fig. 2 amplificador operacional (configuración no inversora)

Un amplificador operacional no inversor es esencialmente el tipo "base" que incrementa la ganancia de una señal electrónica sin ningún otro proceso adicional. Este permite amplificar una señal electrónica. Entonces su característica, no altera la fase de entrada. En el amplificador no inversor el voltaje de salida varía con la misma polaridad que el voltaje de entrada. En la fig. 2, configuración para obtener un amplificador no inversor. El amplificador no inversor es una configuración que permite amplificar una señal electrónica. Entonces su característica, no altera la fase de entrada. un amplificador operacional tiene 2 entradas y una salida, la entrada positiva o no-inversora y la negativa o entrada inversora.

Fig.1 amplificador operacional (configuración seguidora)

Amplificador inversor En la fig. 1, configuración de un seguidor de voltaje a base de un amplificador operacional, en este caso la salida es exactamente igual a la entrada. La principal característica de esta configuración de que la impedancia de entrada es elevada, la de salida

la señal de salida es inversa de la de entrada, en polaridad, aunque puede ser mayor, igual o menor, dependiendo esto de la ganancia que le demos al

amplificador en lazo cerrado. La señal se aplica al terminal inversor o negativo del amplificador y el positivo o no inversor se lleva a masa. La resistencia que va desde la salida al terminal de entrada negativo se llama de realimentación.

Fig. 4. Amplificador sumador

Fig. 3 amplificador operacional (configuración inversora)

La fig. 3, es una configuración de un amplificador inversor, En este circuito, la entrada V (+) está conectada a masa y la señal se aplica a la entrada V(-) a través de R1, con realimentación desde la salida a través de R2. La entrada V (-) es un punto de tierra virtual, ya que está a un potencial cero. El circuito comúnmente más utilizado es el circuito de ganancia constante. El amplificador inversor amplifica e invierte una señal 180º, es decir, el valor de la tensión de salida está en oposición de fase con la de entrada y su valor se obtiene al multiplicar la tensión de la entrada por una ganancia fija constante, establecida por la relación entre R2 y R1, resultando invertida esta señal (desfase).

La fig. 4, es una configuración de un amplificador en modo sumador inversor, el sumador inversor, es una aplicación práctica de la característica de tierra virtual en el nudo suma, en la entrada V (-) del amplificador inversor. Este es de los circuitos que probablemente sea el más utilizado, el amplificador sumador. En el sumador inversor, la suma algebraica de las tensiones de cada entrada multiplicado por el factor de ganancia constante, se obtiene en la salida. En este circuito, como en el amplificador inversor, la tensión V (+) está conectada a masa, por lo que la tensión V (-) estará a una masa virtual, y como la impedancia de entrada es infinita toda la corriente circulará a través de Ro.

Amplificadores de suma/resta

Estas dos variedades de amplificadores operacionales realizan un proceso aritmético en la señal. Un amplificador operacional de resta saca una señal que es igual a la resta entre sus dos entradas. Un amplificador de suma combina diferentes voltajes de un número de entradas, y saca una ganancia basándose en los voltajes combinados. Cualquiera de estos circuitos puede ser configurado para operar como sistemas inversores o no inversores.

Fig. 5 amplificador restador

En la figura 5 observamos la configuración del amplificador restador, este amplificador usa ambas entradas invertida y no invertida con una ganancia de uno, para producir una salida igual a la diferencia entre las entradas. Es un caso especial del amplificador

diferencial. Se pueden elegir también las resistencias para amplificar la diferencia.

constante I (0), en Co da lugar a una rampa lineal de tensión. La tensión de salida es, por tanto, la integral de la corriente de entrada, que es forzada a cargar Co por el lazo de realimentación.

Amplificadores integradores/diferenciadores

Las variedades más complejas de amplificadores operacionales son los integradores y diferenciadores. La suma de un capacitador al circuito significa que el integrador reacciona a cambios en el voltaje con el tiempo. La magnitud del voltaje de salida cambia, basándose en la cantidad de tiempo que un voltaje gasta apareciendo en la entrada. El diferenciador es lo opuesto a esto. El voltaje producido en el canal de salida es proporcional a la tasa de cambio de la entrada. Los cambios más grandes y rápidos en el voltaje de entrada producirán voltajes de salida más altos.

Fig. 7 amplificador diferenciador

Otra modificación del amplificador inversor, que también aprovecha la corriente en un condensador es el diferenciador o derivador mostrado en la figura. En el que, la tensión de salida es proporcional a la derivada de la señal de entrada Vi y a la constante de tiempo (t =RC), la cual generalmente se hace igual a la unidad. Para efectos prácticos el diferenciador proporciona variaciones en la tensión de salida ocasionadas por el ruido para el cual es muy sensible, es la razón por la cual es poco utilizado. Fig. 6 amplificador integrador

Amplificador comparador En la fig. 6, se puede ver el amplificador integrador. Un amplificador integrador realiza la función matemática de la integración, es decir la señal de salida es la integral de la señal de entrada. Para la utilización del circuito, Se aplica una tensión de entrada Ve, a R1, lo que da lugar a una corriente I(e). Como ocurría con el amplificador inversor, V (-) = 0, puesto que V (+) = 0 que, por tener impedancia infinita toda la corriente de entrada I(e) pasa hacia el condensador Co.

El elemento realimentador en el integrador es el condensador Co. Por consiguiente, la corriente

Es la única aplicación del amplificador operacional en lazo abierto. Realiza la comparación de dos señales de entrada, y de acuerdo con el resultado hace que la señal de salida se ponga en alto o en bajo. Debido al alto valor que presenta la ganancia diferencial Ad del amplificador operacional.

Fig. 8. Amplificador Comparador

Fig. 9 Esquema del amplificador operacional LF353

En la figura 8. Se puede observar la configuración de un amplificador operacional, esta vez como comparador, en este caso al utilizar el amplificador operacional en lazo abierto, la ganancia en la salida será siempre muy grande, aproximadamente del orden de 100.000 veces o más, una pequeña variación en las tensiones de entrada Vs+ y Vs- produce que a la salida del amplificador tengamos un valor cercano a la tensión de alimentación.

En la fig. 9 se puede ver el componente LF353 internamente el cual cuenta con dos amplificadores operacionales internos, este componente electrónico cuenta con las siguientes características:

Un amplificador operacional, trabajando como comparador, puede ser configurado en modo inversor o no inversor, dependiendo a que entrada se aplique la señal a detectar y la señal de referencia.

Amplificador operacional LF353

El dispositivo LF353 es un amplificador operacional de entrada JFET con baja polarización de entrada y corrientes de offset y velocidad de respuesta rápida. Cada amplificador cuenta con entradas JFET (para alta impedancia de entrada) acopladas con etapas de salida bipolares integradas en un solo chip monolítico. La salida está protegida contra cortocircuitos debido a la impedancia de salida resistiva de 200Ω. El LF353 se puede utilizar en aplicaciones tales como integradores de alta velocidad, convertidores de digital a analógico, circuitos de muestreo y retención y muchos otros circuitos.

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No. de amplificadores operacionales: 2

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Voltaje de alimentación Max: ±18 V

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Bajo consumo de potencia

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Ancho de banda típico: 3 MHz

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Alto slew rate: 13 V/μs típico

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Impedancia de entrada: 10¹² Ω típica

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Voltaje offset de entrada: 5 mV típico

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Corriente de polarización baja: 50 pA típica

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Bajo ruido en el voltaje y corriente de entrada

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Pin compatible con el LM358, LM1558, y otros

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Encapsulado: DIP 8 pines

Sensor LM35

El LM35 es un circuito electrónico sensor que puede medir temperatura. Su salida es analógica, es decir, te

proporciona un voltaje proporcional a la temperatura. El sensor tiene un rango desde −55°C a 150°C. Su popularidad se debe a la facilidad con la que se puede medir la temperatura. Incluso no es necesario de un microprocesador o microcontrolador para medir la temperatura. Dado que el sensor LM35 es analógico, basta con medir con un multímetro, el voltaje a salida del sensor. Para convertir el voltaje a la temperatura, el LM35 proporciona 10mV por cada grado centígrado. También cabe señalar que ese sensor se puede usar sin offset.

El LM35 solo requiere de 3 conexiones para funcionar, de las cuales 2 son GND y positivo, el pin restante es la salida y se conecta a una entrada digital del controlador que estemos utilizando para recolectar y analizar los datos, este puede ser tanto un microcontrolador como una tarjeta de adquisición de datos Arduino. Una de las principales ventajas de este sensor es que su salida es lineal y no requiere de una calibración previa o posterior a su uso, esto debido a que el LM35 consume muy poca corriente y eso evita que se caliente afectando de alguna manera la medición que se esté realizando. En caso de requerir probar el sensor se puede realizar un fácil cálculo matemático para determinar que el sensor funcione correctamente, esto se hace de la siguiente forma: Cuando el sensor está realizando una medición y manda los datos adquiridos, el pin central manda una señal en mV, nosotros deberemos medir cuantos mV se están enviando, en el caso de este censor 1 grado Celsius equivale a 10 mV y los rangos de medición no pueden superar los 150 ºC = 1500 mV y -55 ºC = -550 mV, en caso de hacerlo el sensor puede estar dañado a consecuencia de un corto circuito o de una mala conexión. II.

Fig. 10 sensor LM35

El Sensor de temperatura LM35 es un elemento muy utilizado en la actualizar para medir y analizar la temperatura de un medio controlado (proyectos, temperatura externa, calor generado por motores, etc), su rango de medición es de -55 °C hasta 150 °C, además no consume mucha corriente por lo cual las mediciones realizadas con este sensor son muy precisas. Otra característica muy importante del sensor es que ya está calibrado para medir directamente grados Celsius (no se requiere de una configuración adicional o de alguna calibración). Su encapsulado lo hace resistente a las condiciones ambientales y al calor directo. Sin duda si quieres medir temperatura te recomendamos este sensor.

ANALISIS Y DISEÑO

Como el requisito principal de la práctica es la lograr la linealización de un sensor de temperatura LM35, se realizan los respectivos cálculos para saber qué tipo de amplificador operacional y que configuración usar, en este caso se utilizó el amplificador operacional LF353, con la configuración de no inversor, sumador no inversor y comparador respectivamente. Primero se tiene en cuenta los valores de voltaje a los que se quiere linealizar el sensor LM35

0ᶱ C

→ 1V

100ᶱ C → 5V

Dados los valores de voltaje a los que requiere linealizar el sensor, se procede a calcular la pendiente: En donde los puntos se dan de la manera

X (X1, Y1), Y (X2, Y2)

Ahora se procede a implementar el amplificador no inversor, para la construcción de este amplificador se debe tener en cuenta que este tipo de configuración se logra obtener una ganancia de 1 volt, esto se puede observar en la ecuación.

Se reemplazan sus valores: X (0V, 1V) Y (1V, 5V)

(1)

Teniendo el valor de la pendiente, valor de 4, se obtiene la ecuación del sensor por medio de la ecuación de la recta. Y-Y1 = m(X-X1)

(2)

Y= 4X + 1 Y Out = 4 In +1

(3)

Para este caso el voltaje de entrada será el suministrado en la lectura del LF353, por ejemplo, si se tiene que el LF353 está leyendo una temperatura de 30ᶱC, su salida de voltaje será de aproximadamente 302 mV. RF será la Resistencia de retroalimentación, para la práctica una Resistencia 3KΩ y R1 de 1K, los valores de estas resistencias se dan teniendo en cuenta la ecuación de la recta en donde se busca que por medio las resistencias se obtenga el valor de 4In por lo tanto si se divide el valor de RF/R1 y a este resultado se le suma el 1 que tiene esta configuración de amplificador operación como ganancia, obtendremos el valor de 4In. Realizando el siguiente cálculo se obtiene el valor esperado de voltaje de salida para la primera etapa del circuito.

Fig. 11 grafica de linealización del señor LM35.

Esta ecuación de la recta calculada anteriormente será necesaria para lograr obtener los valores para realizar unos divisores de voltajes que se explicará más adelante de este informe. La fig. 11, corrobora el planteamiento matemático realizado anteriormente, dando una recta y su ecuación

Con esto se aprecia que mientras el sensor LM35 se encuentre a una temperatura de 30ᶱC aproximadamente, se obtendrá en la salida de la primera etapa del circuito linealizador del amplificador no inversor, un voltaje de salida de 1.2 V. En la segunda parte se realiza un divisor de voltaje, este con el fin de poder bajar la tensión de la fuente de 10V a 1V sin afectar el funcionamiento y el voltaje de alimentación de todo el circuito, para realizar el divisor se fija una Resistencia de entrada, en este caso 10KΩ y en base a esto y al voltaje de la Fuente que es 10V se calcula la Resistencia final para el divisor.

(4)

1.Si la temperatura es menor a 30 grados, los leds mantendrán apagados. 2.Si la temperatura se encuentra entre 30 y 50 grados, el led verde encenderá, como señal de operación en condiciones normales.

Se obtiene que la combinación de resistencias necesaria para generar la caída de tensión deben ser resistencias de 10KΩ y 1.1 KΩ para la parte teórica, para lo practico la Resistencia de 1.1 KΩ es remplazada por una Resistencia de 1.2 KΩ la cual es comercial. En la tercera parte del circuito se obtiene que implementando un sumador no inversor, que cuenta con la característica de sumar los dos voltajes provenientes de las salidas de las anteriores etapas dando una salida de voltaje más alta, está determinada por la suma como lo indica su nombre. El voltaje de salida se determina con la siguiente ecuación.

3.Si la temperatura se encuentra entre los 50 y 75 grados, el led verde deberá permanecer encendido y el amarillo deberá de encenderse indicando que la temperatura está en estado elevado y de pr...