LM35, LM35A, LM35C, LM35CA e LM35D - Sensores de Temperatura Centígrados de Precisão (ART2263)

Na sua linha de semicondutores, a National Semiconductor (*) possui tipos indicados para a medida precisa de temperatura com saída linearmente proporcional a valores centígrados (Celsius). Estes pequenos componentes podem ser utilizados numa infinidade de aplicações,d que vão desde termômetros para a faixa de -55 a + 150°C, até controles, termostatos, detectores etc. Neste artigo abordamos as características destes componentes a partir do própño manual do fabricante e damos alguns circuitos aplicativos.

(*) A National Semiconductor agora faz parte do grupo da Texas Instruments

 

A série LM35 consta de sensores de temperatura cuja tensão de saída é linearmente proporcional à temperatura, em graus centígrados ou Celsius. Uma característica importante destes sensores está no fato de que, ao contrário dos sensores ajustados para a escala Kelvin, não é necessário subtrair uma enorme tensão constante para se obter o valor em graus Celsius.

Os componentes da série LM35 não necessitam de nenhuma calibração externa ou ajuste para se obter uma precisão típica de 0,25°C na temperatura ambiente e de +:0,75°C na faixa de -55 a + 150°C.

O baixo custo é conseguido para este componente graças à possibilidade de se fazer o ajuste a nível de chip, quando ainda no wafer.

Os LM35 possuem baixa impedância de saída, saída linear e calibração inerente precisa, que torna o interfaceamento com os circuitos de controle e leitura muito simples.

Os sensores podem ser usados tanto com fontes de alimentação simples como com simétricas.

Como seu consumo de corrente é de apenas 60 µA, o aquecimento próprio é muito baixo, menos de 0,1 °C ao ar livre.

O LM35 opera na faixa de -55 a 150°C, enquanto que o LM35C opera de -40 a + 110°C A série LM35 é fornecida em invólucro plástico TO - 46, enquanto que a série LM35C é fornecido em invólucros plásticos TO- 92.

Na figura 1 temos os diagramas de conexão dos dois tipos.

 

   Figura 1 - Pinagem
Figura 1 - Pinagem

 

Os principais destaques destes componentes são:

- Calibração diretamente em °C (centígrados ou Celsius)

- Fator de escala linear de + 10 mV/°C

- Precisão de 0,5°C garantida a uma temperatura de 25°C

- Especificado para a faixa de -55 a 150°C

- Pode ser usado em sensoriamento remoto

- Baixo custo devido à calibração no processo de fabricação

- Operação com tensões de 4 a 30 V

- Consumo de corrente menor que 60 µA

- Baixo aquecimento próprio: 0,08°C ao ar Iivre

- Não linearidade melhor que :0,25°C

- Baixa impedância de saída de 0,0 ohm para carga de 1mA

Na figura 2 temos os circuitos de aplicação direta.

 

Figura 2 – Circuitos de aplicação
Figura 2 – Circuitos de aplicação

 

Os máximos absolutos são:

- Tensão de alimentação: + 35 a 0,2V

- Tensão de saída: + 6 a -1,0 V

- Corrente de saída: 10 mA

-Temperatura de armazenamento

TO-46: 60°C a +180°C

TO-92: 60°C a +150°C

- Faixa de operação LM35, LM35A: -55°C a +150°C

LM35C LM35SCA: -40°C a +110°C

LM35SD: 0°C a +100°C

As características elétricas desses componentes são dadas na tabela I.

 


 

 

 


 

 

 

APLICAÇOES

Os LM35 podem ser usados da mesma maneira que a maioria dos sensores de temperatura convencionais.

Eles podem ser colados ou cimentados na superfície cuja temperatura se deseja medir ou controlar.

Os sensores do tipo TO - 46 com invólucros metálicos podem também ser soldados numa superfície metálica ou encanamento sem perigo de dano.

É claro que, neste caso, o terminal –V do invólucro deverá ser aterrado ao metal.

Alternativamente, o LM35 pode ser instalado na parte interior de um tubo com a extremidade fechada e, assim, acoplado a um tanque ou sistema condutor de material a ser monitorado.

Como todos os integrados, é preciso manter o componente isolado e seco, de modo a se evitar correntes de fugas e corro são.

Este fator é especialmente importante nos casos em que o sensor operar em temperaturas muito baixas, em ambientes sujeitos à condensação.

Circuitos impressos protegidos por vernizes especiais, como tintas à base de epóxi também podem ser usados para assegurar que a umidade ou gases quimicamente ativos não corroam o LM35 ou suas conexões.

Estes componentes, algumas vezes, são soldados em películas de pequena espessura, de modo a ajudar na condução de calor, reduzindo a constante térmica de tempo para obtenção de respostas rápidas, quando se pretender monitorar temperaturas de correntes de ar que se movam vagarosamente.

Por outro lado, uma pequena massa térmica pode ser acrescentada ao sensor para se obter uma resposta mais lenta, mesmo quando ocorrerem variações da temperatura do ar ambiente.

Na tabela Il damos os acréscimos de temperatura do LM35 devido a aquecimento próprio (resistência térmica).

 

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a) Sensor remoto de temperatura

Na figura 3 temos um circuito para sensoriamento remoto de temperatura com dois fios para a condução do sinal.

 

  Figura 3 – sensor remoto
Figura 3 – sensor remoto

 

A tensão de saída variará de 10 mV/°C na faixa de +2°C a +40°C e o sensor é aterrado.

Observe a utilização ge resistores de precisão e a alimentação feita com tensão de 5 V.

Os fios de ligação ao sensor devem ser trançados, de modo à se evitar efeitos de captação de ruídos ou indução de tensões que levem a falsas leituras.

 

b) Sensor remoto de temperatura

O circuito da figura 4 difere do circuito da figura 3 pelo fato da saída estar referida à terra.

 

Figura 4 – Circuito remoto II
Figura 4 – Circuito remoto II

 

A tensão de saída variará de 10 mV/°C na faixa de + 2°C a + 40°C.

O resistor de 6k8 pode ser substituído por reostato de 10 k para ajuste de ganho.

Observe também que o par de fios de conexão ao sensor deve ser trançado, a fim de evitar problemas de indução de sinais espúrios.

 

c) Sensor para fonte simples

Na figura 5 temos o circuito para utilização de fontes simples na faixa de -55°C a +150°C.

 

Figura 5 – Circuito para fontes simples
Figura 5 – Circuito para fontes simples

 

 

d) Sensor remoto de temperatura

Na figura 6 temos mais um sensor re moto de temperatura com faixa de operação de -5°C a + 40°C. A tensão de saída variará de 10 mV/°C.

 

Figura 6 – Outro sensor remoto
Figura 6 – Outro sensor remoto

 

A alimentação é de 5 V e os fios ao sensor devem ser trançados, para que sejam evitados problemas de ruídos.

O capacitor de 100 nF é opcional, devendo ser usado apenas se houver problemas de ruídos ambientes que interfiram nas leituras.

 

e) Fonte de corrente de 4 a 20 mA

Esta fonte mostrada na figura 7 opera com correntes proporcionais à temperatura, na faixa de 0°C a +100°C, e sua alimentação pode ficar entre 5 e 30V.

 

Figura 7 – Fonte de corrente proporcional à temperatura
Figura 7 – Fonte de corrente proporcional à temperatura

 

O transistor ser substituído por equivalentes.

 

f) Termômetro Fahrenheit

Com utilização de um LM385-1.2 podemos modificar a característica de resposta destes sensores e, com isso, obter um termômetro Fahrenheit, como vemos na figura 8.

 

Figura 8 – Termômetro Fahrenheit
Figura 8 – Termômetro Fahrenheit

 

Temos uma saída linear em que ocorre uma variação de 1,0 mV/° F.

A tensão de alimentação pode ficar entre 6 e 20 V.

 

g) Termômetro centígrado com indicador analógico

Um miliamperímetro de 0-1mA pode ser usado diretamente na elaboração de um termômetro centígrado, conforme mostra a figura 9, utilizando-se apenas um LM35 e um trimpot de ajuste.

 

Figura 9 – Termômetro centígrado
Figura 9 – Termômetro centígrado

 

A tensão de alimentação deste circuito é de 5 V.

 

h) Termômetro Fahrenheit de escala expandida

O circuito mostrado na figura 10 opera na faixa de 50°F a 80°F e emprega como indicador um microamperímetro de 100 µA com tensão de 60 mV de fundo de escala.

 

   Figura 10 – Termômetro com escala expandida
Figura 10 – Termômetro com escala expandida

 

O componente básico para esta alteração de escala é um LM3852.5, também da National.

 

i) Conversor digital de temperatura (saída serial).

Na figura 11 temos um circuito que converte temperatura em sinais digitais até +128°C com saída serial.

 

Figura 11 – Conversor digital de temperatura
Figura 11 – Conversor digital de temperatura

 

A base do circuito é um conversor A/D da National do tipo ADC0831.

A tensão de alimentação é de 5 V e o ajuste é para se obter uma tensão de referência de 1,28 V no ADC0331.

 

k) Conversor digital de temperatura (saída paralela)

Para se obter uma saída digital de temperatura usamos o conversor ADC0804, da National, no circuito mostrado na figura 12.

 

Figura 12 - Conversor com saída paralela
Figura 12 - Conversor com saída paralela

 

O amplificador operacional pode ser de qualquer tipo para uso geral funcionando como seguidor de tensão (ganho = 1) e a tensão de alimentação é de 5V.

A saída deste circuito é Tri-state, compatível com a entrada da maioria dos PCs.

A temperatura máxima medida é de 128°C e o ajuste é para se obter uma tensão de referência de 0,64V no ADC0804.

 

l) Conversão temperatura x fraqüência com saída isolada

Este circuito (figura 13) é indicado para aplicações em telemetria, já que temos a possibilidade de transmitir informações sobre temperatura a longas distâncias sem o perigo de alteração nos dados, pois eles dependem da freqüência.

 

Figura 13 – Conversor temperatura x frequência
Figura 13 – Conversor temperatura x frequência

 

Temos, então, uma faixa de medidas de 2°C a +150°C, quando a freqüência da saída variar linearmente de 20 a 1500 Hz.

O único ajuste é o do trimpot de 5 k (4k7) para a leitura de fundo de escala.

Outra característica importante deste circuito é a utilização de um acoplador óptico, que isola completamente o circuito sensor da transmissão de dados.

Como sugestão, podemos utilizar a transmissão de dados por meio de fibras ópticas.

 

CARGAS CAPACITIVAS

Com a maioria dos circuitos de potência muito baixa, os LM35 possuem uma capacidade limitada na excitação de cargas capacitivas.

O LM35, por si só, é capaz de vencer capacitâncias de até 50 pF, sem nenhuma precaução especial.

Para cargas “mais pesadas”, pode-se facilmente desacoplar ou isolar a carga através de um resistor, conforme mostra a figura 14.

 

Figura 14 – Operação com cargas capacitivas
Figura 14 – Operação com cargas capacitivas

 

Pode-se ainda melhorar a tolerância à presença da capacitância com um circuito RC série que amorteça o sinal em relação à terra, como mostra a figura 15.

 

Figura 15 – Tolerância maior à capacitância
Figura 15 – Tolerância maior à capacitância

 

Quando o LM35 for utilizado com um resistor de carga de 200 Ω, como na maioria das aplicações, ele se torna relativamente imune à presença de capacitâncias, pois estas formam um circuito de passagem da entrada à terra e não em relação à entrada.

Entretanto, como em todo circuito linear conectado a fios em ambiente hostil sua performance pode ser afetada de modo adverso por campos magnéticos intensos como relés, radiotransmissores, motores com escovas, .SCRs, e outros, já que suas funções internas podem atuar como detectores e os fios como antenas.

Para melhores resultados em tais casos, um capacitor “bypass” do Vin à terra é um circuito RC amortecedor em série, como por exemplo um resistor de 10 Ω em série com um capacitor de 0,1 ou 1,uF, da saída à terra.

Estas técnicas são mostradas em alguns dos circuitos deste artigo.

Sistema Bargraph de display de temperatura (barra móvel).

O circuito indicado na figura 16 aciona uma escala de 20 LEDs na faixa de temperatura dada pelo ajuste dos trimpots.

 

   Figura 16 – Bargraph de temperatura
Figura 16 – Bargraph de temperatura

 

Os resistores devem ser de 1% e os ajustes são feitos da seguinte maneira: ajustar RB para VB : 3,075V; ajustar RC para VC : 11,955V; ajustar RA para VA : 0,075V 100 mV/°C x Tamb. Exemplo: VA 2,275V para 22°C.

 

CONCLUSÃO

Evidentemente, a partir das aplicações mostradas muitas outras podem ser desenvolvidas envolvendo controle e display de temperaturas.

As informações foram obtidas a partir do manual Linear Supplement Databook, de 1984, da National Semiconductor Corporation.

 


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