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Comparador simple

Lo que veremos a continuación es un interruptor que hace que se apague y prenda un foco de manera automática dependiendo de la temperatura, el foco es el que hará que el sensor de temperatura se caliente, y una vez que se caliente, el foco se apagará, luego se prenderá y se apagará y así sucesivamente en una determinada temperatura. No es el mejor comparador, pero sí nos ayuda a entender cómo funciona el sensor de temperatura y a hacer un pequeño circuito para aprender un poco más.

Lista de materiales del comparador simple

  • 1 fuente de voltaje de $5\text{V}$
  • 1 sensor de temperatura LM35DZ
  • 1 circuito integrado LM358P (Amplificadores operacionales)
  • 1 transistor NPN 2N2222
  • 1 diodo 1N4148 (sirve para proteger a la bobina del relé)
  • 1 relé
  • Banco de terminales
  • 1 foco con socket
  • 1 resistencia de $4.7\text{k}\Omega$
  • 1 resistencia de $10\text{k}\Omega$
  • 1 resistencia de $820\Omega$
  • Multímetro
  • Cables (para evitar el uso de tantos jumpers)
  • Jumpers
  • Esmalte de uñas
  • Segueta

Antes de armar el comparador simple

Antes de armar el comparador simple, tenemos que mencionar algunas características de los componentes que vamos a utilizar en el circuito, para asegurarnos de no quemar algo (no significa que me haya pasado).

Primero, me gustaría recalcar que el sensor de temperatura que utilizaremos es el LM35DZ, ¿por qué repito esto? Porque muchas veces vamos a la tienda de electrónica, pedimos un sensor de temperatura y nos venden un sensor de temperatura como un LM335DZ, el cual es diferente al que nosotros utilizaremos aquí. Aunque puedes utilizar el que quieras siempre y cuando sepas cómo utilizarlo.

Sensor de temperatura LM35DZ

sensor-de-temperatura-LM35DZ
Figura 1. LM35DZ (Vista de frente en la cara plana)

Como se puede observar en la Figura 1, la alimentación que recibirá el LM35DZ es de $5$ volts y en la salida (según la datasheet) obtendremos cambios en el voltaje de 10mV/°C. Este cambio de voltaje significa que si estamos a 40°C y medimos el voltaje que se encuentra en la salida del LM35DZ, obtendremos una lectura de $0.4\text{V}$. Si realizamos una medición en la salida del LM35DZ cuando estamos a 36°C, obtendremos una lectura de $0.36\text{V}$. ¿Qué lectura obtendremos si estamos a una temperatura de 17°C? Exacto, obtendremos una lectura de $0.17\text{V}$.

Si las lecturas que hagas del voltaje de salida no tienen concordancia con la relación que existe con la temperatura, no te calientes la cabeza, tira a la basura ese sensor de temperatura y compra uno nuevo. Por ejemplo, si sabes que la temperatura es de aproximadamente unos 30°C, la lectura que debe de dar es de aproximadamente $0.3$ volts. Si da una lectura con un valor muy diferente o hace cosas extrañas como oscilar demasiado el valor de la salida, entonces deshecha ese sensor de temperatura.

Transistor NPN 2N2222

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Figura 2. 2N2222. (Vista de frente en la cara plana)

Como se puede observar en la Figura 2, ya tenemos marcados los nombres de las patitas, simplemente es seguir el diagrama. En este circuito del comparador simple, la pata del emisor va puesta a tierra, la de la base va conectada después de la resistencia de $4.7\text{k}\Omega$ y la del colector va conectada a una pata de la bobina.

Circuito integrado LM358P. Amplificadores operacionales

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Figura 3. Circuito integrado LM358P.

Cada número corresponde a un amplificador operacional, eso quiere decir que el circuito integrado de la Figura 3 viene empaquetado con dos amplificadores operacionales. El símbolo “$+$” es la entrada No Inversora y el símbolo “$-$” es la entrada Inversora.

Relé, relay o relevador

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Figura 4. Vista de abajo de un relé desgastado.

Aquí con el relé hay que tener algo de curiosidad al momento de conectarlo debido a que tiene 5 patitas. Dependiendo del relé que compres va a ser la manera en las que están ordenadas las patitas. En el caso del relé que muestro en la Figura 4, las patitas $1$ y $5$ son las patitas de la bobina, la pata $2$ es la del común y las patas $3$ y $4$ son las patas del comúnmente abierto y el comúnmente cerrado respectivamente.

Diagrama del comparador simple

diagrama-comparador-simple-listo
Figura 5. Diagrama del comparador simple.

La diferencia de potencial que queremos que haya en la resistencia de $R_{2}$ es de $0.4\text{V}$. Más adelante explicaremos cómo calcular ese valor de esa resistencia $R_{2}$.

Cómo funciona el comparador simple

La manera en la que funciona el comparador simple es bastante sencillo. Observa, cuando el voltaje que entregue el sensor de temperatura sea menor que el diferencial de potencial de $0.4\text{V}$, el amplificador operacional no estará mandando corriente para que el transistor se active, lo que provocará que el foco se mantenga encendido debido a que está conectado en la patita del normalmente cerrado del relé.

Cuando el voltaje del sensor de temperatura sea mayor que el diferencial de potencial de $0.4\text{V}$, el amplificador operacional mandará corriente para que el transistor se active, lo que provocará que el foco se apague debido a que el relé se activará y ahora el circuito estará cerrado del común (pata $2$ del relé) a la pata del comúnmente abierto (pata $3$ del relé), y el foco se apagará debido a que está conectado a la pata del comúnmente cerrado (pata $4$ del relé).

El valor de la resistencia de $R_{2}$ no lo conocemos debido a que lo que queremos hacer es que la diferencia de potencial que haya es de $0.4\text{V}$, eso significa que cuando el sensor de temperatura llegue a más de 40°C, o sea que el voltaje de salida nos va a dar más de $0.4\text{V}$ y será mayor que el del diferencial de potencial de $R_{2}$.

Cómo calcular el valor de la resistencia $R_{2}$

Te recomiendo que primero intentes calcular tú mismo el valor de $R_{2}$, sino pues te lo explico a continuación.

Bien, lo que podemos observar es que la diferencia de potencial total es de $5$ volts ya que nuestra fuente de voltaje nos suministra $5$ volts. Así que el valor de la resistencia de $10\text{k}\Omega$ debe de tener una diferencia de potencial de $4.6$ volts ya que la siguiente resistencia queremos que tenga un diferencial de potencial de $0.4$ volts.

Para continuar con el cálculo, recordemos la fórmula siguiente para calcular la intensidad:

$$I = \cfrac{V}{R}$$

La intensidad de corriente es igual en las dos resistencias, así que calculando la intensidad en $R_{1}$, ya tendremos un dato más para el cálculo de $R_{2}$. Recordemos que la diferencia de potencial que hay en $R_{1}$ es de $4.6$ volts, así que $4.6$ volts es lo que sustituiremos en la fórmula:

$$I = \cfrac{V_{R_{1}}}{R_{1}} = \cfrac{4.6\text{V}}{10\text{k}\Omega}$$

$$I = 4.6\times 10^{-4}\text{A}$$

Excelente, ahora que ya tenemos la intensidad, simplemente tomaremos la misma fórmula, sólo que despejaremos la resistencia para calcularla:

$$I = \cfrac{V}{R} \ \Rightarrow \ R = \cfrac{V}{I}$$

$$R_{2} = \cfrac{V_{R_{2}}}{I}$$

Simplemente sustituimos la intensidad y el diferencial de potencial de $R_{2}$

$$R_{2} = \cfrac{0.4\text{V}}{4.6\times 10^{-4} \text{A}}$$

$$R_{2} = 869.56\Omega$$

Genial, ya tenemos el valor de la resistencia de $R_{2}$ para que tenga un diferencial de potencial de exactamente $0.4$ volts, pero espera, antes de que empieces a realizar cálculos de arreglos en serie y paralelo para lograr hacer que la resistencia tenga exactamente $869.56\Omega$, continua leyendo para saber cómo modificar el valor de una resistencia.

Cómo modificar el valor de una resistencia

Bien, este quizá sea algún truco muy bueno que aprenderás. Para lograr hacer que se modifique el valor de una resistencia, necesitaremos lo siguiente:

  • Resistencia cercana al valor que calculamos que en este caso será la resistencia comercial de $820\Omega$
  • Esmalte de uñas
  • Segueta
  • Multímetro (se recomienda tener los cables que sean banana-caimán)

Vamos a raspar la resistencia con la segueta ya que siempre que raspamos una resistencia, su valor de (valga la redundancia) resistencia subirá.

Una vez que esté en el valor de resistencia calculado, aplicaremos esmalte de uñas a la resistencia para mantener fijo el valor.

En el siguiente video te muestro un ejemplo del procedimiento con una resistencia de $220\Omega$ a la que queremos que suba al valor de $245\Omega$, es muy fácil de hacer.

 

Se va a hacer lo mismo sólo que a la resistencia de $820\Omega$ la rasparemos hasta que llegue al valor de $869\Omega$.

Modificación del cable del foco para nuestro comparador simple

La modificación que se le realizó al cable del foco es la que se muestra en la figura 6, tiene dos jumpers que son los que estarán conectados al protoboard.

modificacion-cable-foco
Figura 6.

Uno de los jumpers irá al comúnmente cerrado del relé (pata $4$) y el otro jumper irá al común del relé (pata $2$).

El comparador simple funcionando

En sí, el circuito ya armado se ve como se ilustra en la figura 7.

comparador-simple-armado
Figura 7. Comparador simple armado.

Por motivos de que la cámara no enfoca debido a la luz del foco, el sensor de temperatura se colocó en otro protoboard y se alejó para que la cámara pueda enfocar, el destello de luz amarilla es cuando el foco está encendido.

 

No es la mejor manera de encender y apagar un foco automáticamente debido a que se apaga y se prende de manera muy frecuente. En otros posts se mencionarán otro comparadores que son mejores.

Gracias por estar en este momento con nosotros : )

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