Lm335 T0

CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGIA TECNOLOGIA EM AUTOMATIZAÇÃO INDUSTRIAL DICIPLINA DE INSTRUMENTAÇÃO PROFESSOR VALNER BRUSAMARELLO

Sensor de Temperatura LM 335

GREGORIO NETO THIAGO LUCENA CARLOS ANDRÉ BERGAMIN

ÍNDICE

ÍNDICE -----------------------------------------------------------------------------------------------------2 1 – INTRODUÇÃO ---------------------------------------------------------------------------------------3 2 - FUNCIONAMENTO ---------------------------------------------------------------------------------4 2.1 – DIAGRAMA DE CONEXÃO -----------------------------------------------------------------4 2.2 – DADOS DE FUNCIONAMENTO ------------------------------------------------------------5 3 – APICAÇÃO DO LM335 -----------------------------------------------------------------------------6 4 – CUIDADOS COM A APLICAÇÃO DO LM335 ------------------------------------------------7 5 – RESISTÊNCIA TÉRMICA--------------------------------------------------------------------------8 6 – CONSTANTE TÉRMICA DO TEMPO -----------------------------------------------------------9 7 – CIRCUITO DE APLICAÇÃO -------------------------------------------------------------------- 10 8 – APARELHO DE EXPERIÊNCIA ---------------------------------------------------------------- 11 8.1 – MONTAGEM E FUNCIONAMENTO----------------------------------------------------- 11 8.2 – DIAGRAMA COMPLETO DO TERMÔMETRO---------------------------------------- 12 8.3 – DISPOSIÇÃO DOS COMPONENTES DO CIRCUITO E PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO-------------------------------------------------------------------------------------------- 13 8.4 – MATERIAIS UTILIZADOS NA EXPERIÊNCIA---------------------------------------- 13 8.5 – GRÁFICOS DE MEDIDAS RESLIZADAS PARA EXPERIÊNCIA------------------ 14 9 – CONCLUSÃO--------------------------------------------------------------------------------------- 16 10 – BIBLIOGRAFIA ---------------------------------------------------------------------------------- 17

1 – INTRODUÇÃO Os sensores são dispositivos que mudam seu comportamento sob a ação de uma grandeza física, podendo fornecer diretamente ou indiretamente um sinal que indica esta grandeza. Quando operam diretamente, convertendo uma forma de energia neutra, são chamados transdutores. Os de operação indireta alteram suas propriedades, como a resistência, a capacitância ou a indutância, sob ação de uma grandeza, de forma mais ou menos proporcional. O sinal de um sensor pode ser usado para detectar e corrigir desvios em sistemas de controle, e nos instrumentos de medição, que freqüentemente estão associados aos SC de malha aberta (não automáticos), orientando o usuário. Tem como principais características a linearidade, que é o grau de proporcionalidade entre o sinal gerado e a grandeza física. Quanto maior, mais fiel é a resposta do sensor ao estímulo. Os sensores mais usados são os mais lineares, conferindo mais precisão ao SC. Os sensores não lineares são usados em faixas limitadas, em que os desvios são aceitáveis, ou com adaptadores especiais, que corrigem o sinal. Faixa de atuação é o intervalo de valores da grandeza em que pode ser usado o sensor, sem destruição ou imprecisão. Os sensores de temperatura se compreendem entre os mais simples, como o termômetro de mercúrio (utilizado para medir temperatura corporal), até termômetros que utilizam semicondutores, como o LM335. Usamos sensores de temperatura para o controle de processos industriais ou comerciais, como a refrigeração de alimentos e compostos químicos, fornos de fusão (produção de metais e ligas), destilação fracionada (produção de bebidas e derivados de petróleo), usinas nucleares e aquecedores e refrigeradores domésticos (fornos elétricos e microondas, freezers e geladeiras).

2 - FUNCIONAMENTO O LM135 é um circuito integrado sensor de temperatura, a série deste sensor é precisa e de fácil calibração, a tensão de esgotamento é diretamente proporcional à temperatura absoluta de mais 10mV/°K, nesta série possuímos além do LM135 também o sensor de temperatura o LM235 e o LM335, onde trabalharemos com o LM335 que pode ser operado de – 40°C até 100°C. Este componente possui vantagens em relação aos demais circuitos integrados do gênero por sua versatilidade: -trabalha com uma única fonte de tensão que pode vir de uma célula de lítio (tipo especial de bateria); -fácil calibração; -opera com uma corrente muito baixa. O LM335 está disponível em três tipos de encapsulamentos conforme sua indicação abaixo:

2.1 – DIAGRAMA DE CONEXÃO

OBS. O encapsulamento de mais fácil aquisição e melhor custo é o TO-92.

2.2 – DADOS DE FUNCIONAMENTO Parâmetro

Mínimo

Tensão de alimentação Tensão de operação

Típico

Máximo

18 2,92

Unidade V

2,98

3,04

V

Erro de calibração

1

2

°C

Não linearidade

0,30

1,50

°C

Impedância

0,60

Ω

Coeficiente de tensão de saída/temperatura Faixa de operação

50

mV/°C

-40

100

°C

3 – APICAÇÃO DO LM335 •

Termômetro;

•

Equipamento Eletro Estético;

•

Automação no acionamento de ar condicionado;

•

Controle de reações químicas onde o calor é um catalisador;

•

Piscicultura: controle da temperatura de tanques de peixes;

•

Na avicultura: controle de temperatura de chocadeiras;

•

Proteção de equipamentos de potência como transformadores, motores, conversores, etc;

•

Controle de câmaras frias;

•

Controle de cargas de baterias;

•

Eletrodomésticos em geral.

4 – CUIDADOS COM A APLICAÇÃO DO LM335 O circuito integrado lm335 pode ser utilizado como qualquer outro circuito integrado sensor de temperatura do gênero. Este sensor de temperatura deve ser soldado em uma superfície (placa de circuito impresso), isto impõe que a temperatura da superfície seja igual a temperatura do dispositivo no equilíbrio térmico, se a placa se encontrar em meios onde existam grandes variações de temperatura pode acontecer do sensor não atingir tais temperaturas por esse motivo deve se conhecer a constante térmica do sistema. O meio que existe entre o sensor e o material do qual se deseja medir a temperatura deve ter uma boa condutividade térmica, o circuito integrado deve ser mantido em ambientes secos se a aplicação exige que o sensor esteja em ambientes úmidos então deve ter algum tio de isolante como tintas a base epóxi e resinas, no caso do experimento que você verá a seguir o sensor esta encapsulado em um tubo de aço inox, resinado podendo assim informar temperaturas até debaixo d’água. O LM335 aceita bem cargas capacitivas sem muitas precauções especiais. Para meios onde existem grandes ruídos térmicos, um capacitor pode ser usado como filtro. No entanto, isto é quase desnecessário já que o nível de ruído é baixo. A corrente que o dispositivo solicita deve ser a mais baixa possível, de maneira que não ocorram grandes dissipações térmicas na junção do componente e, conseqüentemente, auto aquecimento. Isto pode ser feito aplicando a menor tensão de aplicação que ainda torna o sensor funcional. Esta tensão depende da temperatura. Como o dispositivo possui uma corrente de funcionalidade muito baixa o auto aquecimento esta na ordem de 0,1 °C na condição de correntes baixas.

5 – RESISTÊNCIA TÉRMICA A resistência térmica precisa ser baixa para que possamos atingir rapidamente o equilíbrio térmico se a resistência for muito grande quase não haverá incremento na tempera-

Resistência Térmica (°C/W)

tura do dispositivo.

Velocidade do Ar (FPM)

6 – CONSTANTE TÉRMICA DO TEMPO

Constante de Tempo(seg)

Tempo necessário para atingir o equilíbrio térmico é aproximadamente 18 segundos.

Velocidade do Ar (FPM)

7 – CIRCUITO DE APLICAÇÃO

8 – APARELHO DE EXPERIÊNCIA Aceitando o desafio proposto de montagem de um instrumento de medição na disciplina, demos início a pesquisa de qual sensor seria o indicado para a utilização em medidas de temperatura. O sensor escolhido foi o LM335 da National Semicondutors. O nosso termômetro é formado por um circuito eletrônico bastante simples, composto com um amplificador operacional e alimentado por duas baterias de 9V. O consumo do aparelho é muito baixo o que significa que baterias terão uma grande durabilidade. Num primeiro momento montamos o circuito em um protoboard e procedemos com a leitura de tensão em um multímetro e de temperatura em um termômetro de temperatura. A faixa de trabalho que desejávamos era entre 0°C e 100°C. Como no inicio a variação de tensão era muito rápida em relação de temperatura efetuamos trocas constantes dos resistores R1 e R2 que ajustam o ganho (calibração) do sensor. Os resistores que nos deram resposta ideal foram de 2 KΩ em R1 e 3,3 KΩ em R2. Estas trocas aliadas a calibração que pode ser feita com instrumentos que apresentam temperaturas conhecida e confiável ou com água e gelo, nos auxiliaram em um equipamento calibrado que ainda possui o um resistor variável de ajuste fino para aferição do mesmo. Lembrando que a água deve estar com temperatura na maioria dos pontos verificados, para isso acontecer devese lentamente agitar água com uma espátula não metálica para não haver dissipação de temperatura. O circuito foi montado em uma placa de fenolite dentro de um gabinete de acrílico e o sensor em um cabo no qual está acoplado a uma cápsula de inox com resina condutiva térmica. 8.1 – MONTAGEM E FUNCIONAMENTO Com um amplificador operacional de transistor de efeito de campo na entrada elaboramos um comparador de tensão que na saída possui dois canais para conectar o multitester (voltímetro).

Estabelecendo um ganho entre os resistores R1 e R2 (R2/R1 +1), do circuito conseguimos uma leitura bastante confiável na faixa de 0°C a 96°C, a calibração realizada com gelo deverá mostrar no visor do multitester um sinal de tensão de 0,00V, onde poderá ser ajustado no resistor variável instalado, regulando assim o sinal de saída com uma sensibilidade aproximada a 50mV/°C. Quando esta temperatura mostrar-se menor que zero a tensão informada será negativa e conforme a temperatura for subindo a tensão mostrada no aparelho ficará positiva sendo que a temperatura não deverá ultrapassar o limite de 100°C e o sinal de tensão apresentado de 5 V.

8.2 – DIAGRAMA COMPLETO DO TERMÔMETRO

8.3 – DISPOSIÇÃO DOS COMPONENTES DO CIRCUITO E PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO

8.4 – MATERIAIS UTILIZADOS NA EXPERIÊNCIA Utilizamos alguns equipamentos, semicondutores e resistores durante o experimento, no qual podemos citar como semicondutores o próprio sensor LM335, um amplificador operacional denominado CA3140 e um LED vermelho comum. Os resistores de nosso equipamento possuem uma tolerância de 1 ou 5 % e uma potencia de 1/8 ou 1/4 W, sendo que R1 e R5 são de 2 K, R2 3,3 KΩ, R3 20 KΩ e R4 10 KΩ entre estes, existe também um resistor

variável de ajuste fino de 5 KΩ. No circuito eletrônico possui um capacitor que pode ser cerâmico ou poliéster de 33 nF, um interruptor simples de e duas baterias de 9V. Para a montagem foram utilizados, placa de fenolite, na qual traçamos o circuito, suporte para o integrado e suporte para o LED, conectores para as baterias, uma caixa para a montagem e diversas instrumentos básicos para um montagem de um circuito eletrônico como solda, ferro de solda, fios etc.

8.5 – GRÁFICOS DE MEDIDAS RESLIZADAS PARA EXPERIÊNCIA Após realizarmos 5 medições, três com o circuito montado em protoboard, um com o circuito montado na placa e outro com o equipamento pronto, chegamos aos seguintes gráficos:

2ª MEDIÇÃO EM PROTOBOARD

100

100

90

90

80

80 Termômetro de Mercúrio (°C)

Termõmetro de Mercúrio (°C)

1ª MEDIÇÃO EM PROTOBOARD

70 60 50 40 30

70 60 50 40 30

20

20

10

10

0

0

0,0

0,5

0,8

1,3

1,7

2,2

2,6

Sinal de Tensão (V)

3,2

3,7

4,0

4,4

0,0

0,2

0,5

0,7

1,3

1,9

2,3

Sinal de Tensão (V)

3,0

3,5

4,0

4,4

3ª MEDIÇÃO EM PROTOBOARD

4ª MEDIÇÃO EM PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO

100 100

90

90 Termômetro de Mercúrio (°C)

70 60 50 40 30

80 70 60 50 40 30

20

20

10

10 0

0 0,0

0,4

0,9

1,2

1,7

2,1

2,7

3,1

3,5

3,9

0,0

4,4

0,4

0,9

1,5

2,0

2,3

2,8

Sinal de Tensão (V)

Sinal de Tensão (V)

5ª MEDIÇÃO EM APARELHO MONTADO 100 90 80 Termômetro de Mercúrio (°C)

Termômetro de Mercúrio (°C)

80

70 60 50 40 30 20 10 0 0,0

0,4

0,6

1,0

1,6

2,1

2,5

Sinal de Tensão (V)

3,0

3,5

3,9

4,4

3,3

3,6

4,1

4,4

9 – CONCLUSÃO O LM335 tem uma serie de utilização para diversas ocasiões, com uma fácil montagem e uma resposta de excelente valor técnico, onde o crescimento dos processos automatizados vem proporcionando um aumento na utilização de sensores de temperaturas sendo este um dos mais utilizados. Após finda a montagem levamos conosco o conhecimento que adquirimos, sobre como funciona o circuito e seus componentes, tais quais resistores capacitores, amplificadores etc, e suas classificações e a satisfação de quem conseguiu fazer funcionar o instrumento. Tivemos a oportunidade de observar uma rápida resposta na temperatura que o sensor transmitia e o conhecimento onde uma simples variação de resistência pode saturar o circuito deixando impossível uma leitura.

10 – BIBLIOGRAFIA WERNECK, Marcelo Martins. Transdutores e Interfaces – pg 33. Livros técnicos e Científicos Editora MILLMAN, Halkias. Eletrônica, Volume 2 – pg 436. Editora Mc Graw Hill WWW.NATIONAL.COM WWW.UCS.BR/CCET/DEMC/VJBRUSAM