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.