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Termômetro Digital com o 7107 (ART2041)

Em artigo de minha autoria descrevi o circuito integrado 7106/7107, que consiste em um par destinado a fazer a conversão analógica/digital com 3 e meio dígitos. O primeiro excita um display de cristal líquido e o segundo um dlsplay de LEDs. Na ocasião, demos vários circuitos aplicativos, deixando entretanto a possibilidade de apresentar projetos mais elaborados para uma futura edição. Pois bem, voltamos agora com um aplicativo bastante Interessante que é um termômetro de precisão para operação na faixa de 25 a 85 °C com o sensor Indicado.

Um termômetro digital com as características apresentadas neste projeto pode ter tanto aplicações profissionais como também recreativas.

Com uma definição de 0,1°C ele pode ser usado para controle de câmaras de resfriamento, estufas, maquinaria em geral e até para indicar a operação de sistemas de ar condicionado.

O circuito é relativamente simples, a que a parte mais complexa, a conversão da informação analógica vinda do sensor em informação digital, é feita por um único integrado, o 7107.

Para mais detalhes sobre o funcionamento consulte o site (ME044).

Uma parte do projeto um pouco mais complexa é a fonte, já que o circuito exige duas tensões, negativas e positivas o que implica em uma dupla fonte simétrica de 5 e de 15 V.

No entanto, o consumo da unidade é extremamente baixo, o que possibilita o uso de um transformador de pequenas dimensões.

Podemos dizer que a maior parte do consumo é devida aos displays, isso na versão com LEDs, que é apresentada neste projeto.

Por outro lado, uma característica importante do sensor usado é a sua linearidade na faixa de temperaturas medidas, o que garante uma boa precisão nas aplicações profissionais.

Sensores equivalentes podem ser usados, se a faixa de temperaturas a ser medida for outra.

 

CARACTERÍSTICAS

Tensão de entrada: 110/220 V c.a.

Tensão de alimentação dos circuitos: 15-0-15 V e 5-0-5 V, de fontes simétricas

Número de dígitos: 3 e meio

Frequência de operação do conversor A/D: 50 kHz (aprox.)

 

Como Funciona

Começamos,nesta análise, pelo sensor de temperatura da National Semiconductor (Agora Texas Instruments), o LM3911.

Este sensor consiste num circuito integrado que fornece em sua saída uma tensão linearmente dependente da temperatura.

A tensão de saída é dada pela fórmula:

 

Vsaída T x 10-2

 

Onde Vsaída é dada em volts e T é a temperatura absoluta (Kelvin).

Fazendo a conversão para graus centígrados, podemos estabelecer a seguinte fórmula que relaciona a temperatura do sensor com a tensão de saída:

 

Vs = (273,16 + 1) x 102

 

Para uma temperatura ambiente de aproximadamente 20°C, a tensão de saída deste integrado estará em torno de 3 V.

Como o sensor LM3911 tem uma variação de tensão de saída de 10 mV /K, é fácil perceber que na faixa de - 25 a +85°C a tensão de saída variará entre aproximadamente - 2,5 e 9,5 V aproximadamente.

Na utilização do sensor num termômetro digital, o primeiro cuidado importante no projeto é fazer com que 0°C coincida com a indicação 00.0.

Isso é conseguido trabalhando-se no próprio bloco do sensor que é alimentado com fonte simétrica e possui em R1, R2, R3, R4 e P2 os elementos que possibilitam este ajuste.

Em torno de zero volt ajustado neste circuito temos então as tensões correspondentes às temperaturas medidas, que são aplicadas ao bloco seguinte do circuito, o conversor A/D 7107.

Para detalhes do funcionamento deste integrado sugerimos consultar os artigos mencionados na introdução.

O que podemos dizer é que este circuito possui todos os elementos internos que permitem a conversão da informação analógica numa informação digital para três dígitos e meio, ou seja, entre - 199,9 a + 1,999.

No nosso caso, usaremos apenas a faixa de - 25,0 a + 85,0 que corresponde aos limiares do sensor indicado.

Na conversão existe um oscilador que determina a velocidade de amostragem dos sinais e cujos componentes responsáveis pela sua freqüência em nosso projeto são C7 e R9. No caso, esta freqüência é da ordem de 50 kHz.

O trimpot P1 fixa a tensão de referência para o circuito a partir de um sistema interno que a regula em aproximadamente 2,8 V.

As funções dos demais componentes podem ser verificadas pelo artigo em que descrevemos o 7107.

A saída do 7106 é para displays de cristal líquido enquanto que as do 7107,

que é o nosso caso, fornecem 8 mA cada uma, para os segmentos de displays comuns de 7 segmentos, de catodo comum.

A fonte de alimentação do circuito deve fornecer 4 tensões, sendo duas positivas e duas negativas.

Para as tensões de 15 V usamos reguladores integrados; se bem que o consumo seja baixo e permita o uso das versões de 200 mA, na sua falta as versões comuns da série 78 e 79 de 1 A podem ser usadas, por serem mais fáceis de encontrar.

Para os 5 V positivos, como temos a alimentação dos displays de catodo comum, precisamos de uma corrente maior, daí ser indicado o 7805.

No entanto, para os 5 V negativos que apenas servem de referência para o conversor AD, e que portanto possui baixo consumo, é usado um zener.

Tanto o setor de fonte como o setor de displays podem ser montados em blocos separados para maior facilidade de uso e instalação numa placa.

No caso do sensor, se ele tiver de ser colocado longe do aparelho recomenda-se o uso de cabo blindado.

 

MONTAGEM

Na figura 1 temos o diagrama do setor de Conversor A/D com o sensor.

 

   Figura 1 – Diagrama do setor de conversão sem a fonte
Figura 1 – Diagrama do setor de conversão sem a fonte

 

 

A placa de circuito impresso para este sensor é mostrada na figura 2.

 

 

   Figura 2 – Placa de circuito impresso para o sensor
Figura 2 – Placa de circuito impresso para o sensor

 

 

Será interessante montar o circuito integrado num soquete DlL de 40 pinos para maior segurança. Lembramos que existem módulos prontos à venda, que já contêm este integrado, o display de LEDs ou cristal líquido, conforme a versão, e uma boa parte dos componentes externos necessários à implementação do projeto.

O leitor deve considerar a possibilidade de seu uso.

Os resistores são todos de 1/8 W com 5% ou mais de tolerância e para maior precisão de ajuste podem ser usados trimpots do tipo multi-voltas.

Para as aplicações convencionais podemos usar trimpots comuns, seguindo o layout original da placa.

Os capacitores eletrolíticos devem ter tensões de trabalho de acordo com

o indicado na lista de material.

Os demais capacitores podem ser de poliéster ou cerâmicos, conforme disponibilidade no comércio local e valor.

Cl-1 deve ser um LM3911 da National, mas existem equivalentes que, no entanto, exigem alterações no setor de alimentação e ajustes.

Os displays são de catodo comum e podem ser montados em placa separada com layout conforme sugere a figura 3.

 

 

   Figura 3- Placa para os displays
Figura 3- Placa para os displays

 

 

Evidentemente, em função do tamanho dos displays disponíveis ou exigidos pela aplicação. o layout da placa deve ser alterado.

Na figura 4 temos o diagrama completo da fonte de alimentação.

 

 

   Figura 4 – Fonte de alimentação para o termômetro
Figura 4 – Fonte de alimentação para o termômetro

 

 

A disposição dos componentes desta fonte numa placa de circuito impresso é mostrada na figura 5.

 

 

Figura 5 – Placa de circuito impresso para a fonte
Figura 5 – Placa de circuito impresso para a fonte

 

 

O transformador tem uma corrente de secundário de pelo menos 500 mA.

Cl-3 é o único circuito integrado que eventualmente precisará de um pequeno radiador de calor.

Z1 tanto pode ser de 5,1 V como 4,7V com dissipação de pelo menos 400 mW.

O resistor R10 é de 1/2 W e o fusível de proteção de 500 mA.

O transformador ficará fora da placa para maior facilidade de instalação do conjunto numa caixa.

As ligações da placa da fonte à placa do conversor ND devem ser as mais curtas possíveis.

 

AJUSTES E USO

Para ajustar precisamos dispor de uma referência de temperatura.

Inicialmente podemos usar gelo fundente para obter zero grau quando então ajustamos P1 para obter a indicação 00,0 nos displays.

Uma idéia para se ter um ajuste preciso usando gelo fundente é colocar o sensor num tubinho plástico que impeça a penetração de água e imergi-lo no líquido por um tempo que garanta o equilíbrio térmico.

Pelo menos 10 minutos serão necessários para que isso ocorra. O segundo ajuste consiste em se colocar o sensor num ambiente de temperatura mais alta, porém conhecida e ajustar-se P1 para a leitura correspondente.

Uma ideia seria usar o meio ambiente com referência a um termômetro preciso. Também devemos deixar o sensor um bom tempo no ambiente

escolhido até obter o equilíbrio térmico.

Outra possibilidade seria usar o nosso próprio corpo (desde que não estejamos com febre) o que permite fazer um ajuste de aproximadamente 37,4°C com boa precisão.

Feitos os ajustes é só utilizar o aparelho.

 

 

Semicondutores

CI-1 – LM3911 – sensor de temperatura

CI-2 – ICL7107 – circuito integrado conversor AD

CI-3 – 7805 – regulador de tensão

CI-4 – 7915 – regulador de tensão

CI-5 - 7815 – regulador de tensão

Z1 - 5V1 – diodo zener de 5.1V x 400 mW

D1 a D4 - 1N4002 ou equivalentes diodos de silício

LED1 - LED vermelho comum

Display - Display de 7 segmentos – 3 de catodo comum

 

Resistores: (1/8 W, 5%)

R1 - 12 k ohms

R2 - 22 k ohms

R3 - 5,6 k ohms

R4 - 33 k ohms

R5 - 1 M ohms

R6, R9- 470 k ohms

R7- 1.5 k ohms

R8, - 220 S2 x1/2 W

P1 - 1 k ohms - trimpot

P2 - 10 k ohms- trimpot

 

Capacitores:

C1 - 100 uF x 6 V - eletrolítico

C2 - 22 uF x 12 V - eletrolítico

C3 - 100 nF - poliéster ou cerâmico

C4 - 47 nF - poliéster ou cerâmico

C5 - 220 nF - poliéster ou cerâmico

C6 - 10 nF - poliéster ou cerâmico

C7 - 100 pF - cerâmico

C8 - 100 uF x 6 V - eletrolítico

C9, C10 - 470 uF x 25 V - eletrolíticos

C11, C14 - 10 uF x 6 V - eletrolíticos

C12, C13 - 47 uF x 25 V - eletrolíticos

 

Diversos:

F1 - 500 mA - fusível

T1 - transformador com primário de acordo com a rede local e secundário de 15+15 V x 500 mA.

Placa de circuito impresso, soquetes para os integrados, caixa para montagem, suporte de fusível, fios, solda, etc.

 

BUSCAR DATASHEET

 


N° do componente 

(Como usar este quadro de busca)

 

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