Termómetro

Trabajo Práctico N°8
Demostración Práctica :

En el presente trabajo práctico realizaremos un termometro digital mediante el uso de un microcontrolador GP32 , recordar que un termómetro es un instrumento de medición de temperatura que se basa en funcionar mediante el efecto de la dilatación .

El mismo posee 2 escalas de temperaturas ( es decir tanto °C como °F ) y su rango de medición puede variar según la temperatura , los rangos son desde  -50°C a 50°C , o desde 0°C a 99°C .

Por otra parte dicha aplicación cuenta con 4 menus que permiten tanto controlarlo como calibrarlo sencillamente , los menus están armados con 4 pulsadores ( Menu ; OK ; DOWN y UP ) y por 2 leds de señalizacion .

Además posee un buzzer que se encarga de indicar que el dispositivo funciona correctamente y 2 displays de 7 segmentos ( Ambos en configuración Cátodo común ) que permiten observar el modo en que se encuentra la configuración actual del dispositvo . Cabe destacar que esta aplicación debe ser calibrada por única vez una vez encendida

Circuito a utilizar

Lista de componentes

•     1 Microcontrolador GP32
•     1 Oscilador de cristal de 32 Mhz
•     1 Buzzer o led
•     2 Leds de señalización ( 1 Verde y 1 Amarillo )
•     4 Pulsadores
•     2 Displays de 7 segmentos ( Cátodo Común )
•     3 transistores BC337
•     5 Resistores de 10 KΩ
•     2 Resistores de 1 KΩ
•     1 Preset o potenciómetro de 10 KΩ
•     1 Capacitor de 100 nF
•     1 Capacitor de 33 nF
•     1 Capacitor de 103 nF
•     Alambre para conexiones en el protoboard

Imágen del termometro finalizado 

Grabado del software en el microcontrolador por medio del programador

Una vez montado el termometro digital en nuestro protoboard y creado nuestro programa en el Winide , lo que hace falta para finalizar la aplicación es grabarle a nuestro microcontrolador el programa diseñado en el Winide .

Para ello conectaremos la placa del programador a la PC , y de esta forma lograremos comunicar el Winide con el microntrolador .

Cabe aclarar que para programar previamente hay que tener ciertos recaudos como por ejemplo :

Si la memoria del microntrolador esta completamente borrada o el programa nunca fue guardado en la misma , al alimentar el microcnotrolador , el primer paso que hay que realizar es verificar si no posee ningun programa insertado en su memoria 

En caso de que no tenga un programa guardado debemos ejecutar el Programa Monitor que es el encargado de comunicar el microcontrolador con el Winide y permitirnos realizar todas las tareas que queramos ( Borrar o programar un archivo entre otras cosas ) 

Todos los programas tienen una dirección de inicio , que se escribe generalmente sobre el Vector de reset . En este caso el vector de reset tiene la palabra "main" que nos indica en donde arranca el programa principal . 

Cuando se alimenta el microcontrolador , lo primero que hace es observar en que estado se encuentra el vector de reset , si el vector esta en $FFFF ( borrado ) esto quiere decir que no tiene un programa grabado o nunca tubo uno , por lo tanto inmediatamente hablitia el Programa Monitor , esperando la comunicación con la PC (  Modo Forzado )

Por otra parte para realizar la programación , hay que configurar si o sí uno de los timers del programador , y a su vez hay que crear 3 timers lógicos.  A continuación se explicará brevemente la función de c/u :
 

Timer de medición ( Tmed ) : Define cada cuanto tiempo se realiza la medición , y  cada cuanto tiempo "llegan datos nuevos, para que luego se muestren en el display".

Timer Buzz ( TBuzz ) : Éste timer solo tiene la función de definir cuanto tiempo estará prendido el buzzer ( que genera una pequeña alerta sonora ), cada vez que se aprieta un botón .

Timer Poll ( Tpoll ) : Es el timer mas importante ya que define en que modo se encuentran los 4 menus y cada cuanto tiempo tiene que sonar la alerta sonora del buzzer

Por ultimo hay que destacar que son los timers los encargados de realizar en el display un proceso llamado multiplexado
 

Sabiendo que el termómetro posee 2 displays , lo que se hace ,  no es conectarlos directamente al micocontrolador , sino que se conectan los 2 a un solo lugar para disminuir conexiones en el protoboard . Los mismos se encienden y apagan con suma rapidez , que da la sensación que siempre se mantienen prendidos .

Datasheets utilizadas:

Display 7 segmentos : http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/vishay/83124.pdf

Transistor NPN BC337:  http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/motorola/BC338-16.pdf

Bibliografia

Para la realización del presente trabajo práctico , utilizamos las páginas y textos que daremos a conocer a continuación :
 

•     Pagina de Internet : http://es.wikipedia.org
•     Pagina de Internet : http://www.unicrom.com
•     Revista / Fascìculo Electrónica enciclopedia práctica

Conclusiones

• En esta práctica diseñamos el programa del termómetro en el Winide 
• Aprendimos como se utiliza el programador a la hora de programar el microntrolador
• Observamos el funcionamiento / caracterizticas de un oscilador de cristal

Amplificadores operacionales

Trabajo Práctico N°6

Demostración Práctica :

El presente trabajo práctico tiene como finalidad comprender el uso del amplificador operacional realimentado . Por otra parte observaremos el funcionamiento / caracterizticas de las 3 configuraciones básicas que posee un amplificador operacional .

  Circuito a utilizar

Lista de componentes

•     2 Capacitores electrolíticos de 100 uF x 25 V
•     2 Capacitores cerámicos de 100 nF
•     1 Resistor de 150KΩ
•     2 Resistores de 10KΩ
•     1 Resistor de 1KΩ
•     1 Circuito Integrado LM741
•     1 Circuito Integrado TL081
•     2 resistores de 5K6Ω
•     Cable o alambre para conexiónes

1) Armar el circuito del amplificador Inversor

Lo que haremos a continuacion será armar el circuito en el protoboard , para luego realizar las correspondientes mediciones . 

2) Ajustar el generador de señales de tal forma que entregue una tensión continua. Usar el control de offset para variar la tensión proporcionada

Utilizando el control de offset variaremos la tensión aplicada en Vs de nuestro amplificador operacional ( entrada ) y obrservaremos / mediremos los valores correspondientes en Vo ( salida ) . 

Para controlar los valores obtenidos utilizaremos un multimetro o tester . Debajo , se mostrará la tabla con los valores obtenidos :

Vs [V]	Vo [V]
-1	11,17
-0.8	11,15
-0.6	10,4
-0.4	7,4
-0.2	5
0*	16m
0.2	-2,44
0.4	-5,63
0.6	-8,69
0.8	-9,84
1	-9,91

* Para realizar esta medición desconectar el atenuador del amplificador y conectar la entrada V_s del amplificador a tierra.

3) Graficar la tensión de salida Vo en función de la de entrada Vs. Marcar en ese gráfico las zonas de amplificación lineal, de saturación, y la tensión de offset.

4) Reformar el circuito anterior con el objeto de anular la tensión residual de offset a la salida del amplificador. Armar el circuito y verificar que la tensión de salida puede ser anulada.

A continuación lo que haremos es intentar anular la tensión residual del Ofsset en nuestro circuito amplificador . Para ello utilizaremos ciertos valores de resistores que conectaremos en el terminal no inversor del mismo . 

Los valores que utilizamos en las mediciones fueron : 1KΩ , 5K6Ω , 10KΩ y 100KΩ . A continuación se verá una tabla en la cual se aprecian los valores de tensión obtenidos con dichos valores de resistores. 

Al observar que variando los valores de resistores el ofsset no disminuia , nos dimos cuenta que al poner el terminal no inversor en cortocircuito ( 0V ) , lo que lograbamos es tener un Ofsset practicamente minimo a la salida del AO 

 

Resistor [KΩ]	Vo [mV]
1	4,3
5,6	2,7
10	-0,42
100	-47,9

5) Dibujar el circuito y colocar sobre el mismo gráfico el valor medido. Explicar porque un resistor en el terminal no inversor ayuda a disminuir esa tensión y no influye en el cálculo de la ganancia de tensión del amplificador.

 

El valor del resistor no modifica la ganancia de nuestro circuito , debido a que la misma no se necesita para lograr la amplificación de dicho sistema .

Esta explicación se puede afirmar mediante la siguiente fórmula :

Avs = - ( R2 / R1 )

6) Ajustar el generador para que entregue una señal senoidal Vs=50 mVpp (pico a pico) con una frecuencia de 1 KHz. Verificar que la fase de la señal de entrada es opuesta a la de salida y que la ganancia de tensión se mantiene constante a pesar de imponerle una señal senoidal de 1 KHz.

A continuación le asignaremos al generador de funciones una señal senoidal con 50 mV pico a pico , una frecuencia de 1KHz y observaremos el comportamiento del circuito al inyectarle dicha señal .

Debajo se mostraran  las 2 imágenes que corresponden a dicha medición .

Cabe recordar que para esta medición es necesario utilizar los 2 canales de nuestro osciloscopio digital .

7) Reemplazar el LM741 por el TL081. Comentar si existe alguna variación en el funcionamiento del circuito.

Reemplazaremos nuestro amplificador operacional LM741 por un TL081 y mediremos nuevamente para ver si el circuito sufre algun cambio o variación .

A continuación se verá la imágen de dicha medición , en donde seaprecia que no sufre ningúna variación a pesar del cambio de componente .

   
8) Usando el LM741 ensayar ahora el amplificador, aumentándole la frecuencia del generador hasta 1 MHz. Verificar que la ganancia de tensión deja de responder al cociente entre R2 y R1. 

Al aumentarle al amplificador operacional LM741 , la frecuencia ( hasta 1 MHz ) observaremos los cambios que se producen en dicha señal del componente . Debajo se mostraran las imagenes correspondientes a dicha medición

Nota : Para ver con mayor nitidez la imagen , hacer click en la misma 

9) Volver a ajustar el generador de señales a 1 KHz y medir la impedancia de entrada del amplificador inversor visto desde los terminales de entrada de Vs, utilizando el método de la máxima transferencia de energía.

Ajustando el generador de señales a 1KHz de frecuencia , medimos la impedancia de entrada del amplificador inversor y el resultado fue una impedancia de 9K1Ω 

10) Usando un amplificador operacional, diseñar un amplificador no inversor que gane en tensión 26 dB sobre una carga de 1 KΩ , en un rango de frecuencias que va desde continua hasta 1 KHz. La tensión máxima de entrada es de 1 Vpp. Explicar los criterios usados para la elección de los componentes externos.

A partir de los datos que conocemos ( una ganancia de 26 dB del sistema y una tensión de entrada de 1 Vpp ) lo que haremos es diseñar un amplificador no inversor mediante la siguiente fórmula :

Sabiendo que G(dB) = 20 log Avs y reemplazando los valores anteriores despejamos Avs :

 

Teniendo la Avs del sistema , lo que nos queda por calcular son las resistencias de realimentacion de nuestro circuito no inversor . 

Recordando que para dicha configuración la ganancia ( Avs ) esta dada por la realimentación , entonces mediante la siguiente ecuación despejaremos Rf :

 Nota : Como valor de R se adaptó un resistor de 680Ω

11) Armar el amplificador diseñado en el punto anterior y verificar esa ganancia. Resumir las mediciones obtenidas en un cuadro donde se lean los valores medidos con los calculados expresando las ganancias en veces y en dB .

Una vez diseñado y armado el circuito en nuestro protoboard , el próximo paso es verificar su ganancia tanto teoricamente como en la práctica . Para ello realizaremos las debidas mediciones y volcaremos dichos datos en la tabla que se encuentra debajo .

 

_	Veces	dB
Calculado	19	24
Medido	21	25,2

12) Dibujar el circuito esquemático.

Datasheet del amplificador operacional LM741 : 

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm741.pdf

 Datasheet del amplificador operacional TL081 :

http://www.ti.com/lit/ds/snosbw6a/snosbw6a.pdf

Nota: En este trabajo práctico no realizamos demostración teórica debido a que el contenido de dicho trabajo fue expuesto en la demostracion teorica del trabajo practico N° 7 ( Restador )

Bibliografia

Para la realización del presente trabajo práctico , utilizamos las páginas y textos que daremos a conocer a continuación :

•     Pagina de Internet : http://es.wikipedia.org
•     Pagina de Internet : http://www.unicrom.com
•     Revista / Fascìculo Electrónica enciclopedia práctica

Conclusiones

En esta práctica aprendimos el uso general del amplificador operacional realimentado , ademas de verficar y comprender sus caracterizticas mas salientes .

Por otra parte conocimos 3 de sus configuraciones básicas .

Por ultimo y mas importante , pusimos en práctica la realización de cálculos necesarios para obtener diferentes ganancias de salida

Restador

Trabajo Práctico N°7

Demostración Práctica :

El presente trabajo práctico tiene como objetivo central , implementar mediante un restador un adaptador de escala en corriente continua.

Para utilizar nuestro amplificador operacional en configuración de restador , utilizaremos un A.O LM741

Circuito a utilizar

 

Nota 1: Se obrserva que para armar  dicho circuito en el protoboard , es necesario previamente calcular los  valores correspondientes de R1 y Rf ( recordando que Rf es la resistencia de realimentación de nuestro amplificador operacional )

Nota 2:  La Rtd que se encuentra en el circuito es una simulada , con 2 resistores y un potenciómetro

Lista de componentes

•     2 Capacitores electrolíticos de 10 uF x 25 V
•     2 Capacitores cerámicos de 100 nF
•     1 Resistor de 33Ω y 1 resistor de 330Ω
•     1 Resistor de 120Ω
•     2 Resistores de 1KΩ ( R calculada )
•     2 Presets o potenciometros de 1 KΩ
•     1 Circuito integrado LM741
•     1 resistor de 2K5Ω ( Rf calculada )
•     1 Potenciometro de 2K5Ω ( Rf calculada ) y 2 de 1K
•     1 resistor de 560 Ω
•     Cable o alambre para conexiónes

1) Realiza los cálculos necesarios para determinar los valores de los componentes faltantes.

En este punto del trabajo práctico lo que haremos es calcular los valores correspondientes de los resistores que estan incógnitos en nuestro circuito . Los valores a calcular serán el de Rf ( resistencia de realimentación del operacional ) y el de R1

Para despejar el valor de Rf lo que hizimos fue adaptar  R1 a un valor de 1 KΩ .

Por otra parte teniendo en cuenta las siguiente fórmula , llegamos al valor correspondiente de nuestra Rf :

Vo = Rf / R1 . ( Vc – Vref )

Teniendo en cuenta los siguientes datos :

Vc = 1V ; VO = 0V  y Vref = 1V

Vc = 3V ; VO = 5V  

Reemplazando en la formula anterior nos queda :

VO = Rf / R1 . ( 3V - 1V ) = 5V

Rf / 1 KΩ . 2V = 5 V

Rf = ( 5V / 2V ) . 1 KΩ 

 

  

Nota: Recordar que el valor de R1 es de 1 KΩ ( cumpliendo así que : Rf tiene que ser 5/2 del valor de R1 )

2) Arma el circuito con los valores calculados

En la siguiente imágen se observará el circuito armado correctamente en nuestra placa experimental o protoboard .

Cabe aclarar que en nuestro caso utilizamos potenciometros en lugar de preset ( debido a la comodidad de uso ) . Recordar que el valor sige siendo el mismo ( 1 KΩ )

Por otra parte debemos destacar que nuestro amplificador operacional se alimenta con +12 V y -12 V ( Fuente partida )

3) Con Vc = 1V , ajustamos el potenciometro R3 para lograr una tensión Vo = 0V . Esta situación simula una temperatura de 30°C .

Si ajustamos Vc = 3V, variando el potenciometro Rf, alcanzaremos una tensión  Vo = 5V. Esta situación simula una temperatura de 40ºC.

En este tramo de la práctica , lo que haremos es realizar ciertos ajustes para ver el comportamiento de nuestra RTD simulada ( detector de temperatura resistivo ) . 

Variando los valores de los correspondientes potenciometros ( R3 y Rf ) alcanzaremos distintos valores de tensión en nuestra RTD  para luego obtener nuestra gráfica con dichos valores .

4) Realiza una gráfica de Vo ( Vc )

A continuación se verá un gráfico representativo de los valores obtenidos previamente en el punto 3

Demostracion Teórica:

¿Que es una RTD?

Una RTD es un detector de temperatura resistivo , es decir , un sensor de temperatura basado en la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura .

La variación de resistencia se expresa mediante la siguiente fórmula :

 

Donde:

• Ro es la resistencia a la temperatura de referencia To
• " Delta T " es la desviación de temperatura respecto a To
•  Alfa es el coeficiente de temperatura a 0°C

Los materiales empleados para la construcción de sensores RTD suelen ser conductores tales como el cobre , el níquel , o el platino.

Ventajas y desventajas de las RTD

Ventajas:

• Margen de temperatura bastante amplio.

• Proporciona las medidas de temperatura con mayor exactitud y repetitividad

• El valor de resistencia del RTD puede ser ajustado con gran exactitud por el fabricante  de manera que su tolerancia sea mínima

• Los RTD son lo más estables con el tiempo , presentando derivas en la medida del orden de 0.1 °C/año.

• La relación entre la temperatura y la resistencia es la más lineal.

• Los sensores RTD tienen una sensibilidad mayor que los termopares . La tensión debida a cambios de temperatura puede ser unas diez veces mayor .

• A diferencia de los termopares, no son necesarios cables de interconexión especiales ni compensación de la unión de referencia .

Desventajas:

• El tamaño y la masa de una RTD será también mayor que el de un termopar o un termistor, limitando además su velocidad de reacción.

• Los RTD se ven afectados por el autocalentamiento.

• Los RTD no son tan durables como los termopares ante vibraciones o golpes

¿Que es un amplificador operacional ?

Un amplificador operacional es un circuito electrónico ( normalmente se presenta como circuito integrado ) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) ( ganancia ) .

Por otra parte el A.O. ideal tiene una ganancia infinita , una impedancia de entrada infinita , un ancho de banda también infinito , una impedancia de salida nula , un tiempo de respuesta nulo y no posee ningún ruido .

Símbolo del amplificador operacional :

• V₊: Entrada no inversora
• V_-: Entrada inversora
• V_OUT: Salida
• V_S+: Alimentación positiva
• V_S-: Alimentación negativa

Cabe recordar que los amplificadores operacionales se pueden adaptar a diferentes configuraciones entre las cuales las mas conocidas son : Configuración Inversor , No inversor y Restador entre otros .

Estructura interna del LM741:

Datasheet del amplificador operacional LM741 : 

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm741.pdf

Bibliografia

Para la realización del presente trabajo práctico , utilizamos las páginas y textos que daremos a conocer a continuación :

•     Pagina de Internet : http://es.wikipedia.org
•     Pagina de Internet : http://www.unicrom.com
•     Revista / Fascìculo Electrónica enciclopedia práctica

Conclusiones

En este trabajo práctico observamos el funcionamiento / caracterízticas de un circuito restador y medimos / verificamos sus parámetros .

Para realizar las debidas mediciones utilizamos el instrumental del laboratorio ( Osciloscopio digital y fuente de alimentación )

Por otra parte conocimos / aprendimos las caracterízticas y funcionamiento del LM741 ( recordando que lo utilizamos como restador en este caso )