UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA

ESCOLA POLITÉCNICA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

LABORATÓRIO INTEGRADO III (ENGC37)

TÍTULO DO TRABALHO

Relatório Final

1. Introdução

O presente trabalho visa descrever os passos realizados para a confecção de um indicador

de faixas de temperatura baseado em Amplificadores Operacionais (AOP) e no sensor LM35,

como forma de avaliação final da matéria ENGC37 - Laboratório Integrado II, do curso de

Engenharia Elétrica da UFBA.

O projeto deve ser construído em 3 blocos, como mostra a Figura 1.

Figura 1

1/12

BLOCO1:

o Sensor LM35 e fonte de alimentação.

BLOCO2:

o AOP como amplificador não inversor,

o Ganho entre 1 e 100,

o Impedância de entrada entre 10K e 1M.

BLOCO3:

o Comparadores sem realimentação,

o LEDs indicadores das faixas de temperatura, junto dos quais deve constar as

respectivas faixas indicadas:

Baixa: temperatura inferior a 14ºC,

Média: temperatura entre 15ºC e 24ºC,

Alta: temperatura entre 25 ºC e 50ºC,

Superaquecimento: temperatura superior a 50ºC (este LED deve piscar).

A conclusão e objetivo das atividades é a confecção do produto com essas

características, com o circuito montado em placa de circuito impresso e guardado em uma

caixa final, para aferir a temperatura de líquidos (água).

2. Projeto e Simulação

2.1. Projeto Preliminar

O projeto foi feito com base nos blocos especificados, então foram seguidas as

seguintes etapas:

1. Estudo do sensor LM35

O LM35 consiste num termistor semicondutor montado em um circuito

integrado (CI) em junto com um circuito capaz de tratar o seu sinal. Sua saída é

linear, varia em 10mV a cada grau centígrado, sua faixa de operação de

temperatura (entre -55ºC e 150ºC) e de tensão de alimentação (entre 4V e 30V) o

tornam fácil de usar e excelente para o projeto.

A partir do datasheet do componente, foi escolhida a configuração indicada

na Figura 2. O sensor opera indicando temperaturas entre 2ºC e 150ºC, com

alimentação entre 4V e 20V.

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Figura 2

2. Escolha da fonte de alimentação

Tendo em mãos os dados sobre o funcionamento do sensor, faz-se

necessária a escolha da alimentação, item que irá limitar o funcionamento dos

outros blocos do circuito.

Foi escolhida a tensão de 5V para alimentar o circuito visando a facilidade

com que se encontra fontes de alimentação com esse valor de saída (fontes para

celular e porta USB dos computadores, por exemplo). Caso uma fonte não seja

encontrada com esse valor, o projeto prevê o uso do CI regulador de tensão 7805,

que aumenta a faixa de tensão de alimentação de 5V para algum valor entre 7V e

25V, abrindo a possibilidade para o uso de baterias.

3. Projeto do amplificador não inversor

Este amplificador consiste no circuito da Figura 3. Foi usado o CI LM324,

com as seguintes características favoráveis ao projeto:

a. Tensão de alimentação entre 3V e 32V,

b. 4 AOPs em um CI,

c. Tensão de offset entre 1mV e 9mV,

d. Saturação negativa em 0V quando usado com fonte simples,

e. Saturação positiva aproximadamente igual a Vcc - 2V.

O ganho pode ser calculado a partir da relação: Av = (1+R10/R11). Como nossa

alimentação é de 5V e a tensão máxima de saída do sensor que representa

informação vale 480mV (50ºC), o ganho máximo deve ser (5-2)/0,48 = 6,25.

Escolhemos então o ganho igual a 5 e calculamos os componentes como estão na

Figura 3. A fonte de 600mV em conjunto com o potenciômetro representam o LM35.

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Figura 3

4. Projeto do comparador

Essa foi a parte mais trabalhosa da etapa de projeto, demandando um

pouco mais de tempo e revisões.

A partir do projeto do amplificador, é possível calcular o divisor de tensão

responsável por indicar aos comparadores quais são as faixas de temperatura.

Segue tabela com valores e cálculos. A corrente usada foi de 1mA.

Temperatura (ºC)

Saída sensor (mV)

Saída amplificador (V)

Divisor de tensão (ohm)

Resistores comerciais

(ohm)Formula

14 120 0,6 600 560 0,6V/1mA24 220 1,1 500 470 (1,1-0,6)V/1mA50 480 2,4 1300 1200 (2,4-1,1)V/1mA 2600 2200 (5-2,4)/1mA

Tabela 1

A Figura 4 foi o primeiro comparador pensado. Os 3 AOPs operam como

comparadores sem realimentação, comparando as tensões do divisor de tensão

com o sinal de saída do amplificador não inversor. A decisão sobre qual LED

deveria acender é tomada for um circuito lógico combinacional.

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Figura 4

O circuito acima foi simplificado, até ser alcançado o circuito final da Figura

5. Seu funcionamento é parecido com o modelo anterior, exceto pelo modo como

os LEDs se acendem/apagam. O LED 1 indica temperatura abaixo de 14ºC,

enquanto que o LED4 indica temperatura acima de 50.

Analisando o circuito, é possível se observar que o LED 1 acende enquanto

U1B mantiver Vcc em sua saída. Se a temperatura ficar entre 14ºC e 24ºC, a saída

de U1B vai a 0V, fazendo com que o LED 1 se apague e o LED 2 acenda. A

medida que a temperatura aumenta, o processo se repete com os AOPs e LEDs

consecutivos. O oposto ocorre quando a temperatura cai, apagando o LED da faixa

superior e acendendo o da faixa inferior.

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Figura 5

5. Projeto dos LEDs

O projeto prevê que o LED indicador da ultima faixa de temperatura pisque

quando acionado. Para este fim, foi utilizado um LED que pisca que nada mais é do

que um LED comum com um circuito interno responsável pela temporização.

Os resistores limitadores de corrente foram calculador com base na formula

R=(5-2)V/6mA = 500ohm. Usamos então 4 resistores de 470ohm, valor comercial.

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2.2. Resultados de Simulação

Projeto concluído e componentes calculados, o circuito foi passado para o Multisim,

programa simulador de circuitos não gratuito da National Instruments. O esquema usado

durante a simulação encontra-se na Figura 6. Para que o ultimo LED pudesse piscar na

simulação, foi montado um bloco oscilador.

R518kΩKey=A

50%

R7470Ω

V15 V

R32.2kΩ

R4470Ω

R9560Ω

R21.2kΩ

R1470Ω

LED1

12

R6470Ω

LED2

13

R8330Ω

LED3

LED4

2

R103.9kΩ

R111kΩ

V2600mV

20

R13470Ω

LED5

C2100nFC3

10µF

16

U1A

LM324N

3

2

11

4

1

U1B

LM324N

5

6

11

4

7

U1C

LM324N

10

9

11

4

8

U1D

LM324N

12

13

11

4

14

19

10

9

14

6

11

5

4

7

SC1

Oscilador

IO1IO1

IO2IO2 IO3IO3 IO4IO4SC1/IO3

SC1/IO4

SC1/IO1

0

Figura 6

Durante a simulação, dados como tensões do divisor de tensão, ganho do

amplificador, tensões de saturação positiva e negativa dos comparadores foram

verificados e listado:

1. Divisor de tensão (as tensões abaixo são aquelas entre os terminais do

componente listado).

Resistor (ohm) Tensão calculada (V)

Tensão simulada (V)

560 0,6 0,632470 0,5 0,53

1200 1,3 1,3542200 2,6 2,483

Tabela 2

2. Ganho do amplificador não inversor

Calculado: Av = 5

Simulado: Av = Vout/Vin = 1,47/0,3 = 4,9 (estado escolhido aleatoriamente

para o calculo).

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3. Tensões de saturação dos comparadores

Tensões de saturação Teórico Simulado

Positiva 3V 3,57Negativa 0V - 0,56V

Tabela 3

Comparando os dados calculados com os medidos, obtivemos resultados bastante

satisfatórios e bem próximos do esperado. Uma observação a ser feita é a tensão

negativa na Tabela 3, sendo que usamos apenas fonte de tensão positiva. Isso se deve

ao fato de que os modelos do simulador não representam em sua totalidade os

componentes reais, devendo o projetista saber interpretar os valores obtidos.

3. Resultados Preliminares

3.1. Montagem e testes

A montagem foi feita em uma única placa de prototipagem e durou um pouco mais

de duas horas. Tomamos cuidado com os maus contados, fazendo o teste de

continuidades das ligações com o uso do multímetro.

Testes foram realizados ao fim da montagem, e pudemos observar algumas

ligações incorretas no bloco amplificador, rapidamente corrigidas.

O protótipo funcionou como era esperado, mas um detalhe prático pode ser

observado: nos momentos de transição entre duas faixas de temperatura, seus LEDs

permanecem acesos ao mesmo tempo. Nesse instante, a tensão diferencial na entrada

dos comparadores é muito pequena, e como o AOP possui ganho finito, o componente

passa a operar na região de amplificação linear, o que explica o fenômeno observado.

Uma solução para o problema é o uso de mais um bloco amplificador não inversor em

malha aberta, ligado em cascata na saída dos comparadores, de modo a aumentar o

ganho de tensão total e aproximar o conjunto do modelo ideal.

Alguns dados foram coletados durante os testes em protoboard para que

pudéssemos fazer as comparações possíveis:

1. Divisor de tensão (as tensões abaixo são aquelas entre os terminais do

componente listado).

Resistor (ohm) Tensão calculada (V)

Tensão simulada (V) Tensão medida (V)

560 0,60 0,632 0,62470 0,50 0,530 0,53

1200 1,30 1,354 1,332200 2,60 2,483 2,50

Tabela 4

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2. Ganho do amplificador não inversor

Calculado: Av = 5

Simulado: Av = Vout/Vin = 1,47/0,3 = 4,9

Medido: Av = Vout/Vin = 1,38/0,25 = 5,52

3. Tensões de saturação dos comparadores

Tensões de saturação Teórico Simulado Medido

Positiva 3V 3,57V 3,48VNegativa 0V - 0,56V 0,01V

Tabela 5

3.2. Modificações de Projeto

Nenhuma mudança foi feita nesta etapa. Oprojeto inicial manteve-se o mesmo.

4. Trabalho Final

4.1. Projeto Executado

O circuito efetivamente implementado foi o da figura abaixo:

R518kΩKey=A

43%

R7470Ω

V15 V

R32.2kΩ

R4470Ω

R9560Ω

R21.2kΩ

R1470Ω

LED1

12

R6470Ω

LED2

13

R8330Ω

LED3

LED4

2

R103.9kΩ

R111kΩ

V2600mV

20

C2100nFC3

10µF

16

U1A

LM324N

3

2

11

4

1

U1B

LM324N

5

6

11

4

7

U1C

LM324N

10

9

11

4

8

U1D

LM324N

12

13

11

4

14

10

7

9

14

6

5

19

22

23

0

4

Figura 7

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4.2. Placa de Circuito Impresso

O layout esquemático apresentado na Figura 8 foi desenvolvido exportando-se o esquema

feito em Multisim para o Ultiboard, uma ferramenta não gratuita para desenvolvimento de

placas de circuito impresso da National Instruments. O Ultiboard permite ainda visualizar o

aspecto final da placa de circuito impresso em visão 3D, como apresentado na Figura 9.

Figura 8

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Figura 9 – Visão final da placa de circuito impresso.

4.3. Produto Final

4.3.1. Acabamento final do produto

O circuito se apresenta impresso em placa de fenolite e condicionado numa caixa

de sabonete verde, por fins estéticos e de proteção. Os LEDs indicadores de faixas

de temperatura se encontram expostos através de orifícios no recipiente.

4.3.2. Instruções de uso

O dispositivo em é um indicador de faixas de temperatura. Pode ser utilizado para

monitoramento térmico de fluidos, motores, temperatura ambiente (alarme contra

incêndios) e outros em que se deseje aferir se uma determinada temperatura foi

atingida.

A sonda deve ser instalada em locais onde a temperatura varie entre 0ºC e 100ºC,

representando risco a segurança o seu uso fora dessas faixas. A caixa deve ser

mantida o mais distante possível da fonte de calor onde a sonda está inserida.

A fonte de alimentação deve ser conectada a uma rede elétrica com valores de

tensão que vão de 90V a 240V AC, fornecendo tensão constante na saída igual a 5V.

Pode-se também fazer uso de pilhas ou baterias, com a adição de um regulador de

tensão 7805 ao circuito.

O equipamento apresenta 4 LEDs, indicando as 4 faixas de temperatura indicadas

na caixa. Quando a temperatura de superaquecimento for atingida, o respectivo LED

irá piscar.

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4.4. Testes e Resultados

Ocircuito funcionou satisfatoriamente.

5. Comentários Finais

O desenvolvimento da atividade de projeto teinou nossas habilidades com pesquisa e

técnicas eletrônicas, adquirindo conhecimentos práticos sobre os AOP’s, sistemas de

sensoriamento, fontes dealimentaçãoe desenvolvimento de produtos.

Circuitos semelhantes poderiam ser utilizados para sensoriamento da iluminação, de

tensão elétrica sobre algum equipamento, da temperatura (nosso caso), e outras variáveis do

ambiente que podem ser convertidas em sinais elétricos através dos sensores.

Portanto, consideramos esta uma excelente oportunidade para extender nossos

conhecimentos teóricos ao mundo real, de poder observar que nem tudo (quase nada) que se

prevê com teoria matemáticae simulação ocorre na prática.

6. Referências bibliográficas

http://www.national.com/mpf/LM/LM324.html#Overview

http://www.national.com/mpf/LM/LM35.html#Overview

www. datasheet catalog.net/pt/ datasheets _pdf/7/8/0/5/ 7805 .shtml

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