Termômetro com display de cristal líquido (ART387)

Descrevemos neste artigo a montagem de um excelente termômetro com display de cristal líquido de 3 1/2 dígitos para a faixa de temperaturas situada entre -20 e +100 graus centígrados. A utilização de um circuito integrado dedicado que reúne todas as funções do conversor analógico/digital e do excitador do display simplificam consideravelmente o projeto e lhe garantem excelente desempenho. O sensor, que consiste num transistor comum, pode ser instalada longe do circuito o que permite a utilização do aparelho na monitoria remota de temperaturas.

Circuitos integrados dedicados como o ICL7106 da Intersil, que reúne todas as funções de um conversor A/D de 3 1/2 dígitos com excitação de mostrador de cristal líquido facilitam enormemente os projetos de instrumentação digital.

Na verdade, o 7106 tem sido usado com vantagens em projetos de muitos instrumentos, como capacímetros, voltímetros, multímetros, pontes de indutâncias, fotômetros, indicadores de posição e termômetros.

O que descrevemos neste artigo é justamente o projeto de um simples termômetro digital de 3 1/2 dígitos que pode medir temperaturas com resolução de décimos de graus centígrados numa faixa que pode ser de grande utilidade para monitoria de alguns lugares comuns como: estufas, banhos químicos, temperatura externa e interna de ambientes, etc.

A grande vantagem deste circuito, levando em conta sua utilização em processos de controle, é que o sensor pode ficar bem longe do indicador, o que significa a monitoria remota. Bastará instalar o sensor no local remoto e conectá-lo ao circuito por meio de cabo.

O circuito é alimentado por uma tensão de 9V obtida de uma bateria comum. Como o consumo do circuito é baixo, graças ao uso do mostrador de cristal líquido e à tecnologia MOS do 7106, a durabilidade desta bateria será muito grande.

O CIRCUITO INTEGRADO ICL7106

O circuito integrado ICL7106 contém todos os elementos de um conversor A/D para excitação de mostrador de cristal líquido de 3 1/2 dígitos. O tipo ICL7107 é equivalente, com a diferença que excita display de LEDs.

Dizemos que se trata de 3 1/2 dígitos, porque os 3 últimos dígitos podem assumir qualquer valor na faixa de 0 a 9, sendo portanto dígitos completos, mas o primeiro só assume os valores 0 ou 1 sendo por isso, denominado "meio dígito". Isso significa que o mostrador só pode apresentar valores entre 0000 e 1999.

O ICL7106 necessita de apenas 10 pA (max) de polarização de entrada e o zero automático ocorre com menos de 10 uV. A entrada é diferencial e são necessários poucos componentes externos.

Na figura 1 temos a pinagem deste integrado.

Pinagem do ICL7106.

MÁXIMOS ABSOLUTOS

* Tensão de alimentação +V a -V: 15 V

* Dissipação: 800 mW

O CIRCUITO

Começamos pelo transdutor que deve fornecer uma tensão que seja proporcional à temperatura que deve ser medida. Para que o circuito seja preciso é necessário que haja uma correspondência linear entre a temperatura e a tensão na entrada do conversor A/D do 7106.

Um transistor tem características bem próximas disso, se levarmos em conta a corrente de fuga (Iceo) em função da temperatura, conforme mostra o gráfico da figura 2.

Característica de temperatura de um transistor.

Conforme podemos ver, se operarmos dentro da região linear desta curva, um transistor pode ser usado como um excelente sensor de temperatura num termômetro de boa precisão.

Como o conversor A/D do 7106 está projetado para indicar valores entre 0000 e 1999, que podem ser modificados, em função do ponto decimal, para ficar entre 000.0 e 199.9, ou ainda -199.9 e 000.0 devemos alterar a referência de entrada ou programação para obtermos a faixa de temperaturas desejada.

Desta forma, usando dois trimpots no circuito externo, podemos modificar os limites da indicação de entrada de modo que eles correspondam às temperaturas que desejamos.

Os trimpots de ajuste são ligados nos pinos 31 e 36. Ajustando convenientemente esses trimpot podemos fazer com que os limites de indicação do instrumento se ajustem a curva do transistor, ou seja, entre -020,0 e +100,0.

O clock do conversor A/D tem sua frequência determinada pelos componentes ligados aos pinos 38, 39 e 40. Para os valores indicados no nosso projeto esta frequência ficará em torno de 48 kHz.

Os dois capacitores e o resistor ligados aos pinos 27, 28 e 29 determinam a constante de tempo do integrador.

O que ocorre é que 7906 tem três fases de operação para realização das medidas:

1. Fase de Autozero

Nesta fase ocorrem três eventos: em primeiro lugar as entradas HI e LO são desconectadas dos pinos e, internamente curto-circuitadas ao ponto de COMMON analógico. Depois, em segundo lugar, o capacitor de referência é carregado com a tensão de referência e em terceiro lugar um elo de realimentação é fechado em torno do sistema que carrega o capacitor de autozero, de modo a compensar as tensões de offset no amplificador interno, integrador e comparador. A partir do momento em que o comprador entra no circuito de realimentação a precisão passa a ser limitada apenas pelo nível de ruído do sistema.

2. Fase de Integração do sinal

Nesta fase, o elo do autozero é aberto pela remoção interna do curto, e as entradas internas HI e LO são ligadas aos pinos externos. O conversor pode então integrar a tensão diferencial aplicada entre a entrada IN HI e IN LO durante um certo intervalo de tempo fixo.

Essa tensão diferencial pode ser aplicada em modo comum com 1 V a menos que a tensão da fonte. Se isso não for feito, o sinal de entrada não terá nenhum retorno em relação à fonte de alimentação do conversor. A entrada IN LO pode ser conectada diretamente ao COMMON para se estabelecer uma operação correta em modo comum. No final desta fase, a polaridade do sinal integrado estará determinada.

3. Fase de integração

A entrada LO é internamente conectada ao COMMON analógico e a entrada HI é conectada ao capacitor de referência previamente carregado.

O circuito no interior do chip assegura a conexão do capacitor com a polaridade correta de modo a levar a saída do integrado ao retorno a zero. O tempo requerido para a saída retornar a zero é proporcional ao sinal de entrada.

O circuito simplificado dos blocos internos do 7906 neste setor dá uma idéia de como é feita a amostragem dos sinais e sua conversão para digital.

Blocos internos do setor de amostragem do 7016

MONTAGEM

Na figura 4 temos o diagrama completo do termômetro.

Diagrama completo do termômetro.

O circuito é montado em duas placas, sendo uma para os elementos básicos que formam o conversor analógico/digital em torno do 7906 e que é mostrada na figura 5 e outra para o display de cristal líquido que é mostrada na figura 6.

Placa do circuito impresso.

Placa do display do cristal líquido.

O circuito integrado 7106 é fornecido em invólucro DIL de 40 pinos, exigindo uma boa habilidade do montador no sentido de fazer as soldagens sem deixar formar pontes de solda entre os terminais. As distâncias reduzidas entre os pinos facilitam esta ocorrência para o que o montador deve estar atento no sentido de evitar.

O posicionamento deste componente também exige atenção. Além de estar atento para a marca que identifica o pino 1, o montador também prestar atenção para que, ao enfiar o componente na placa nenhum terminal se dobre, o que pode ocorrer com mais facilidade do que muitos imaginam.

O display de cristal líquido é montado na placa separada e exige igual cuidado. Os tipos comuns podem ser feitos de modo a ter contacto por pressão nesta placa de modo que o conjunto deve ser firmemente preso na caixa para que o dispositivo funcione, conforme mostra a figura 7.

Fixando o display na caixa.

Para a conexão do display pode ser usada uma fita múltipla de condutores, cujo comprimento, entretanto, não deve ser muito grande para que não ocorram instabilidades de funcionamento.

O sensor pode ser remoto, mas deve ser ligado ao circuito por meio de cabo bem isolado.

Também devemos observar que o transistor deve ficar protegido contra umidade, pois a presença de umidade entre os terminais de coletor e emissor ou base e emissor pode levar a falsas indicações de temperatura.

Assim, se o termômetro for usado para monitoria do tempo fora de casa ou ainda para monitorar a temperatura de líquidos, o transistor deve ser devidamente isolado da ação da umidade mas não das variações de temperatura.

Uma possibilidade a ser considerada consiste em se fechar o transistor numa bolha de epóxi conforme mostra a figura 8.

Blindando o sensor para operar imerso em líquidos.

AJUSTES E USO

Se o termômetro for usado para monitorar a temperatura ambiente, o ajuste da escala pode ser feita tendo por referência um termômetro comum, de preferência de mercúrio, de maior precisão.

Observamos que os termômetros que contém um "líquido vermelho" e que são de baixo custo, normalmente encontrados em brindes e objetos de decoração não são de mercúrio. O "líquido vermelho" nada mais é do álcool colorido e tais termômetros são bastante imprecisos.

Para o ajuste, leve o termômetro de referência e o montado a um local de temperatura bem baixa (um recipiente com gelo, por exemplo) e depois de esperar um tempo suficiente para ocorrer o equilíbrio térmico, ajuste P2 para obter a leitura digital correspondente.

Depois, coloque os dois termômetros numa pequena estufa que pode ser improvisada com um elemento de aquecimento, e novamente, esperando estabelecer o equilíbrio térmico, ajuste P1 para a leitura da temperatura correspondente, indicada no termômetro comum, no mostrador de cristal líquido.

Para o caso do sensor bem vedado podemos usar a água obtida de gelo fundente para obter a temperatura de referência 000.0 e a água fervente para obter 100.0. Observamos que estes limites são válidos como referência ao nível do mar.

Comprovado o funcionamento e feito o ajuste é só instalar e usar o termômetro. Feche-o definitivamente em sua caixa.

Lembramos ainda que a "prontidão" de um termômetro, ou seja, a velocidade com que ele responde às variações de temperatura numa medida depende da capacidade térmica do sensor.

Assim, para o caso de usarmos um transistor como sensor, temos uma prontidão relativamente baixa, o que significa que sempre devemos esperar pelo menos uns 3 ou 4 minutos até que se estabeleça o equilíbrio térmico entre o sensor e o corpo ou ambiente do qual se deseja saber a temperatura, para somente depois se fazer a leitura.

Sensores de maior velocidade de resposta e maior precisão também podem ser usados neste circuito como, por exemplo, o KTY84 da Philips Components que é um sensor linear de baixa capacidade térmica. As características deste sensor permitem sua substituição direta pelo transistor indicado neste projeto.