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[1] Os amplificadores operacionais são amplificadores de acoplamento direto, de alto ganho,
que usam realimentação para controle de suas características. Ele possui duas entradas uma inversora (-) e outra não-inversora (+).O sinal na saídaVout, é igual à um ganho A multiplicado pela diferença entre as tensões nas entradas inversora e não inversora, Vout = A (V+-V-).
[2] Buffer é um amplificador de ganho unitário usado para isolar e conectar um estágio de alta impedância de saída a uma carga de baixa impedância de entrada.
Sensor de Temperatura utilizando diodo 1N4841
Arthur Moura Camargos de Freitas
Resumo
Este projeto tem como finalidade estudar e realizar experimentos com diodos para a construção de um sensor de temperatura, utilizando um dispositivo de baixo custo e de fácil comercialização reduzindo o custo de sensores a vendas no mercado.
Inicialmente foi abordada a importância dos sensores no mundo moderno e revisado alguns conceitos de materiais semicondutores. Para que possam ser realizados os experimentos em um circuito que tem como característica a capacidade interpretar a variação da temperatura utilizando um diodo para tal fim. Para se ter um valor digital foi medido e calculado o ganho necessário para ampliar a tensão que sai do diodo variando de zero volts para a menor temperatura e cinco volts para a maior temperatura medida.
1.3 Introdução
A aplicação de sensores em sistemas de controle de processos é cada vez mais encontrada, tanto em ambientes industriais quanto em ambientes prediais. Este crescente aumento na demanda dos sensores se deve principalmente pelo processo de automação, possibilitando uma melhoria no processo de produção ou em uma máquina específica, podendo aumentar seu rendimento, maximizar a produção ou mesmo para facilitar tarefas manuais.
Os sensores tem como objetivo monitorar os valores das variáveis físicas do ambiente e as transforma as em sinais elétricos. Para que um sensor possa fazer a medição correta de alguma variável ele deve obedecer alguns parâmetros e dentre eles dois foram levados em consideração neste projeto que são: a linearidade que e a relação entre a grandeza medida e o sinal elétrico emitido pelo sensor. E a faixa de medida do sensor que e o intervalo em que o sensor possa trabalhar sem perder a linearidade ou ainda que comprometa seu funcionamento.
O sensor montado neste projeto tem como ideia principal a relação entre a tensão de polarização direta do diodo e sua temperatura. Existem no mercado vários sensores capazes de medir a temperatura do ambiente ou de um fluido específico, mas os disponíveis no mercado são de maior custo do que este proposto neste projeto.
O diodo é um material semicondutor, ou seja, um material que não possui portadores livres como os condutores; para que os portadores se tornem livres é preciso fornecer algum tipo de energia que, neste caso, é a agitação térmica. Os semicondutores são elementos da coluna 4A da tabela periódica. Os elementos mais utilizados são o Germânio e o Silício . Para melhorar a condução neste tipo de material costuma se adicionar átomos com três ou cinco elétrons de valência. Este método se chama dopagem, onde se altera o equilíbrio entre lacunas e elétrons. Quando os semicondutores são dopados com elementos da coluna 5A, que possuem em sua camada de valência cinco elétrons, torna substrato em um material extrínseco do tipo n. Já quando os semicondutores são dopados com elementos da coluna 3A, que possui apenas três elétrons na camada de valência, deixa o substrato com uma brecha ou uma lacuna transformando-se num material onde os elétrons se um cristal extrínseco do tipo p.
O diodo é composto por dois blocos de materiais semicondutores como mostra a figura 1, um do tipo n e outro do tipo p. Quando o diodo está polarizado diretamente do anodo para o catodo, este deixa que conduzir corrente pois existe uma troca de portadores de ambas as partes. Se polarizado reversa mente não deixa passar corrente pois acaba criando um campo elétrico se opondo ao movimento de cargas.
Figura 1 – Estrutura de um diodo 1N4841
Ao esquentar o diodo está a fornecer energia térmica para suas moléculas, os elétrons da ultima camada começam a quebrar suas ligações, tronando-se portadores livres consequentemente aumentando a condução elétrica quando submetido a um diferencial de potencial.
1.4 Objetivos
Estudar o comportamento da tensão de polarização direta do diodo através de medições experimentais e estudar a sua linearidade em uma determinada faixa de temperatura. A partir desses dados, construir um circuito que converta o sinal elétrico do diodo (da ordem de mV) para sinais entre 0 e 5 volts para que possa ser lido por um conversor analógico/digital.
2. Metodologia e Procedimentos Experimentais
Primeiramente foi montado um circuito divisor de tensão colocando uma fonte de cinco volts alimentando uma resistência e o diodo 1N4148. Um voltímetro foi colocado em paralelo ao diodo para medir sua tensao, como mostra a figura 1. Para obtenção de dados que possam ser analisados por cálculos estatísticos, foram utilizados cinco circuitos idênticos aos da figura 2. Os diodos são imersos em água, cuja temperatura é conhecida, e coleta-se a tensão de cada diodo. Para que a condutância da água não altere os resultados, os diodos foram colocados em um isolante elétrico feito de silicone.
Figura 2 – Divisor de tensão utilizando diodo
2.1 Tensão no diodo em uma temperatura fixa
No primeiro experimento foram montados cinco circuitos divisores de tensão com diodos para a verificação de que o comportamento seria valido para qualquer diodo da serie 1N4148 á mesma temperatura . As resistências também foram trocadas para poder identificar qual a melhor resistência afim de garantir um comportamento linear entre temperatura e tensão no diodo, as resistências foram: 100Ω , 1KΩ , 10KΩ , 22K Ω, 39K Ω, 100KΩ , 1MΩ. A temperatura medida foi de 10 C e os resultados medidos estão mostrados na tabela 1.
Tabela 1 – Tensão nos diodos X Resistências
R1
VD1
R2
VD2
R3
T= 10ºC
98,6
796mV
98,8
798mV
99,2
T= 10ºC
975
672mV
988
674mV
986
T= 10ºC
9,8K
567mV
9,82K
568mV
9,88K
T= 10ºC
21,75K
529mV
21,87K
531mV
21,62K
T= 11ºC
39,4K
502mV
39,22K
505mV
39,4K
T= 11ºC
98,5K
459mV
98,7K
461mV
98,4K
T= 11ºC
982K
346mV
986K
347mV
983K
VD3
R4
VD4
R5
VD5
804mV
99
798mV
99,2
802mV
678mV
984
675mV
982
676mV
567mV
9,83K
567mV
9,84K
567mV
530mV
21,48K
530mV
21,62K
529mV
502mV
38,9K
502mV
38,78K
500mV
459mV
98,4K
459mV
99,4K
456mV
345mV
1017K
347mV
1015K
342mV
Para confirmação dos dados obtidos no primeiro experimento um segundo teste foi realizado, com as mesmas resistências e nas mesmas temperaturas medidas anteriormente para que os dois resultados pudessem ser comparados. Os resultados se encontram na tabela 2.
Tabela 2 - Tensão nos diodos X Resistências
R1
VD1
R2
VD2
R3
T= 10ºC
98,6
0,843
98,8
0,844
99,2
T= 10ºC
975
0,705
988
0,708
986
T= 10ºC
9,8K
0,601
9,82K
0,603
9,88K
T= 10ºC
21,75K
0,567
21,87K
0,571
21,62K
T= 11ºC
39,4K
0,537
39,22K
0,539
39,4K
T= 11ºC
98,5K
0,497
98,7K
0,499
98,4K
T= 11ºC
982K
0,386
986K
0,389
983K
VD3
R4
VD4
R5
VD5
0,849
99
0,845
99,2
0,849
0,709
984
0,709
982
0,709
0,602
9,83K
0,604
9,84K
0,602
0,568
21,48K
0,570
21,62K
0,567
0,538
38,9K
0,540
38,78K
0,537
0,497
98,4K
0,497
99,4K
0,494
0,386
1017K
0,389
1015K
0,385
2.2 Tensão no diodo variando a temperatura
O terceiro experimento foi feito utilizando cinco diodos 1N4148 e resistências de 100Ω , 1KΩ , 10KΩ , 22K Ω, 39K Ω, 100KΩ , 1MΩ , uma garrafa térmica , um aquecedor e um termômetro digital. A água era aquecida e medida pelo termopar até uma temperatura especifica e em seguida era colocada na garrafa térmica para impedir que ocorresse troca de calor entre a agua e o ambiente mantendo a temperatura estável por mais tempo, pois como os diodos estavam envoltos por uma proteção de silicone ele tem de ficar algum tempo emerso no fluido para poder igualar sua temperatura com a da agua. Os dados do gráfico 1 mostram a media dos cinco diodos e suas respectivas resistências.
Gráfico 1 – Tensão no diodo X Temperatura
2.3 Achando a linearidade entre tensão no diodo e temperatura
Após analisar o gráfico na terceira experiência já foi possível descartar algumas resistências como a de 100Ω, 1KΩ, 100KΩ e 1MΩ, pois em algumas temperaturas a reta muda de inclinação. Nesta faze foi decidido medir em mais temperaturas e foi escolhidas as resistências de 10 KΩ, 18 KΩ, 22 KΩ, 27 KΩ, 33 KΩ, 47 KΩ, e 56 KΩ, e conferir qual delas garantiria uma linear com o diodo. Os resultados estão apresentado no gráfico 2.
Gráfico 2 – Tensão no diodo X Temperatura
Analisando os gráficos e observando cada uma das equações das retas foi possível observar que a melhor resistência há ser utilizada para a construção do sensor é a de 10KΩ. Pois em todos os experimentos onde se variavam a temperatura as equações das retas nos dois experimentos são as que mais se aproximam, além de que em ambos o coeficiente angular das retas não mudam, ou seja teoricamente a equação é a mesma para qualquer ponto inclusive pontos que não foram medidos.
2.4 Amplificando o sinal de saída do diodo
Com a resistência já definida para o projeto, o próximo passo é de transformar esta reta em um sinal digital. Fazendo com que a menor temperatura seja zero volts e que a maior temperatura se torne cinco volts para isto é necessário a utilização de um Circuito Integrado capaz de amplificar e de trazer a reta para a origem. O amplificador operacional [1] escolhido foi o LM 324 e a equação utilizada para calcular o ganho e a tensão de entrada não inversora foi:
Vout = -A*Vin- + (A + 1)* Vin+
Onde:
Vout = Tensão de saída do amplificador operacional,
A = Ganho,
Vin- = Tensão de entrada inversora,
Vin+ = Tensão de entra da não inversora.
Com a equação foi montado um sistema para resolvê-la dois problemas o primeiro era a reta tem uma inclinação negativa, ou seja, quanto maior a temperatura menor é o valor da tensão de saída no diodo este problema foi resolvido colocando o sinal na entrada inversora mudando o sinal do coeficiente angular da reta, o outro problema seria que quando a temperatura fosse a mínima estabelecida pelos experimentos a tensão de saída nunca iria zerar pois ela estaria acima do eixo, para isto o amplificador operacional foi utilizado como um subtrator ele traria a reta para o zero em uma temperatura já preestabelecida onde zero é quando a temperatura é 8 C e cinco quando a temperatura é 52 C . O sistema montado ficou da seguinte forma:
0=-A*0,609 +(1+A)* Vin+
5=-A*0,0,514+(1+A)* Vin+
Com as devidas manipulações matemáticas, que não cabe neste o projeto ser deduzido passo a passo. O ganho A calculado é de 52,63 e a tensão não inversora Vin+ é de 0,598 volts. Para confirmação dos cálculos foi utilizado um simulador de Amp Op desenvolvido pelo professor Carlos Renato B. Santos o Operational amplifier 3.0, para que em seguida o circuito pudesse ser montado em um protoboard, medindo a tensão de saída no Amp Op, variando a temperatura no seu mínimo e máximo e verificar se experimentalmente a saída vai de zero para cinco volts. O circuito a ser montado no protoboard é o da figura 3 o buffer [2] foi colocado para garantir que a resistência de 1KΩ não interfira nas resistências do ganho do amplificador que são mostradas na figura como R2 e R3. As resistências R4 e R5 em paralelo com a fonte tem como finalidade ser um divisor de tensão, para se obter a queda de potencial de 0,598 volts na entrada não inversora do Amp Op mas neste caso a queda do divisor fornece 0,589 volts. Como no momento do experimento não estava faltando a resistência de 7,5Ω o divisor de tensão foi substituído por um potenciômetro de 1KΩ e regulado para deixar passar um queda de potencial de 0,594 volts, lembrando que um dos pinos da extremidade vai para a fonte o outro pino da extremidade vai para o terra e o pino do meio vai para a porta não inversora do amplificador desta forma o potenciômetro funciona como um divisor de tensão. Os dados estão mostrados no gráfico 3 o gráfico mostra que quando a temperatura chegava a 40 C a tensão de saída saturava, o problema estava na alimentação do LM 324 que também estava sendo alimentado com cinco volts e saturava em aproximadamente dois volts e meio então a alimentação foi alterada para sete volts e os resultados estão mostrados no gráfico 4.
Gráfico 3 – Tensão na saída do Amp Op
Gráfico 4 – Tensão na saída do Amp Op com alimentação de sete volts
Figura 2 – Circuito sensor de temperatura com Amp Op
Resultados e Conclusão
Os primeiros experimentos foram de suma importância pois ao iniciar o trabalho sobre sensores e principalmente os estudos de materiais semicondutores existia uma preocupação pois a teoria mostra que a relação entre tensão e corrente nestes materiais geralmente geram uma hipérbole. Por isso os testes foram realizados em cinco diodos iguais para verificar se o comportamento deles seriam idênticos para as mesmas condições e os experimentos mostraram que sim para algumas resistências isto provavelmente aconteceu porque a faixa de erros era de cinco por cento para mais ou para menos os testes com as resistências de 100KΩ e 1MΩ foi a que ocorreu a maior variação de uma resistência para outra já as resistências de 10 KΩ e 22 KΩ foram as que menos tiveram erros em suas medidas.
A segunda preocupação também foi aliviada pela terceira experiência onde a temperatura variava porque os dados colhidos mostraram que existia uma relação linear para aquele intervalo medido que foi de 8 C ate 52 C, mas esta relação de linearidade não ocorreu com todas as resistências foi descoberto uma faixa para se trabalhar nos próximos experimentos abaixo de 1KΩ como o gráfico mostra em uma certa temperatura ela muda seu coeficiente angular isto provavelmente se deve pelo fato da corrente nestas resistências serem maiores e provavelmente terem saturados em algum ponto já os testes das resistências de 100KΩ e 1MΩ elas não devem ter deixado passar corrente o suficiente para que o diodo pudesse trabalhar de forma adequada por isto estas duas faixar de valor abaixo de 1KΩ e acima de 100KΩ foram descartadas, então restava saber qual seria a resistência ideal para se utilizar no circuito do sensor. Apos a realização do quarto experimento todas as equações das retas foram levadas em consideração e então veio a melhor resistência a ser utilizada no projeto que seria a de 10 KΩ, por dois motivos o primeiro era que dez das primeiras experiências seus resultados eram os que apresentavam um resultado mais linear e o segundo é que ao comparar as equações das retas dos experimentos três e quatro avia uma diferença de aproximadamente 0,0129 para seu coeficiente angular e de 0,0035 para seu coeficiente linear.
Como os experimentos mostram o diodo pode ser utilizado como um sensor de temperatura no intervalo que foi medido. Mas para que estas informações sejem processadas e interpretadas elas precisam ser transformadas em sinais digitais para isso é necessário um dispositivo eletrônico chamado de conversor AD que é o próximo passo paro o sensor de temperatura utilizando o diodo, mas antes os sinais de saída precisam estar num intervalo de zero a cinco volts que para um circuito eletrônico significa desligado ou ligado e como a tensão de saída do diodo e muito baixa ele precisa ser amplificado além de decrescer com o aumento da temperatura o sinal também deve mudar sua inclinação. Depois de feitos cálculos e simulação o circuito como mostra a figura 2 foi feito testes que mostraram que se o LM 324 fosse alimentado com cinco volts ele saturaria aproximadamente na metade deste valor então sua alimentação foi mudada para sete volts sendo que quando o diodo atingia sua temperatura limite o valor da tensão de saída do Amp Op era de quase cinco batendo com os valores calculados.
É bom lembrar que existem sensores de temperatura a venda no mercado e que também existem circuitos integrados capazes de interpretar valores de temperatura numa faixa muito maior do que apresentada neste relatório, mas diferentes destes dispositivos o custo deste circuito é muito menor e é de fácil montagem, pois todos os componentes da montagem são fáceis de achar além de garantir uma relação direta de tensão e temperatura. Este sensor pode ser utilizado em projetos que necessitem de monitoramento de uma pequena faixa como, por exemplo, a temperatura de uma sala, edifício, de uma granja ou ate mesmo de uma estufa.
Bibliografia
http://funcapciencia.funcap.ce.gov.br/divulgacao-cientifica/divulgacao-cientifica-1/nosso-futuro-em-nanoparticulas
http://www.dsif.fee.unicamp.br/~fabiano/EE530/PDF/Texto%20-%20F%EDsica%20dos%20Semicondutores.pdf
http://www.creadigital.com.br/portal?ac=prtl&txt=3877333931
http://www.electronica-pt.com/index.php/content/view/33/37/
