Universidad de Costa Rica Facultad de Ingenier´ıa Escuela de Ingenier´ıa El´ ectrica

Generador de electricidad utilizando un motor tipo Stirling solar

Por: Margoth Flores Soto

Ciudad Universitaria “Rodrigo Facio”, Costa Rica Enero del 2015

Generador de electricidad utilizando un motor tipo Stirling solar

Por: Margoth Flores Soto

IE-0499 Proyecto el´ ectrico Aprobado por el Tribunal:

Ing. Peter Zeled´on M´endez Profesor gu´ıa

Ing. Mois´es Salzar Parrales Profesor lector

Ing. Jordan Castro Barquero Profesor lector

Resumen Debido a la preocupante dependencia a los hidrocarburos y la contaminaci´on que estos generan, se ha debido de desarrollar ideas y proyectos para disminuir estas problem´ aticas, tanto sociales, como econ´omicas. El modelo Stirling tiene el objetivo de utilizar energ´ıas capaces de generar potencia el´ectrica, pero mediante un m´etodo menos invasivo, utilizando una alimentaci´ on de energ´ıa proveniente del Sol, por medio de un disco parab´olico, implementado a la alimentaci´on de un motor de combusti´on externa, llamado motor Stirling que posee un comportamiento termodin´amico. Se realizaron los estudios necesarios para cada etapa y se dise˜ naron los esquemas suficientes para construir cada una de ellas, considerando dimensiones longitudinales, radiales, angulares y adem´as, las propiedades de los materiales utilizados. Se utiliz´ o un sistema tipo gamma, que, aunque representa un tipo poco eficiente, fue m´ as sencillo de dise˜ nar e implementar. Una vez obtenido un sistema Stirling funcional, se procedi´o a realizar la etapa de obtenci´ on de resultados mediante la tarjeta Arduino, utilizando sensores de temperatura y velocidad para obtener as´ı, una visualizaci´on m´as clara acerca del comportamiento del sistema. Como se dise˜ n´ o un sistema m´as aplicado al estudio acad´emico, que al energ´etico, los resultados obtenidos desglosan niveles de producci´on bastante bajos y debido a esto, la imposibilidad de aplicar un generador de electricidad, como en principio se dese´o. Sin embargo, el sistema Stirling represent´o todo un reto hacia la creatividad y la re-inventiva de una tecnolog´ıa que se cre´ıa perdida, pero que hoy, est´ a tomando fuerza, gracias a empresas innovadoras y de primer mundo, generando ideas m´ as amigables con el ambiente.

iii

´Indice general ´ Indice de figuras

vi

´ Indice de cuadros

vi

Nomenclatura

ix

1 Introducci´ on 1.1 Introducci´ on . . . . 1.2 Justificaci´ on . . . . . 1.3 Alcance del proyecto 1.4 Objetivos . . . . . . 1.5 Metodolog´ıa . . . . .

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1 1 2 2 2 3

2 Marco Te´ orico 2.1 Motores Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Modelado matem´atico termodin´amico. . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Disco Parab´ olico Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 5 11 16

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3 Experimentaci´ on 23 3.1 Dise˜ no del motor Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2 Pruebas y resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.3 Conclusiones y Recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Bibliograf´ıa

39

4 Anexos 4.1 Hoja de fabricante. TMP36GZ . . . . . . . . . . . . 4.2 Hoja de fabricante. MLX-90614 . . . . . . . . . . . . 4.3 Hoja de fabricante. ITR9608-F . . . . . . . . . . . . 4.4 C´ odigo fuente de lector de temperatura. TMP36GZ . 4.5 C´ odigo fuente de lectura de temperatura. MLX90614 4.6 C´ odigo fuente de lectura de velocidad . . . . . . . . 4.7 C´ odigo fuente de c´alculo de presi´on . . . . . . . . . .

41 42 57 61 65 65 66 67

v

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´Indice de figuras 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

2.11 2.12 2.13 2.14

Construcci´ on mec´ anica general de motor Stirling. . . . . . . Configuraci´ on Alfa, (Escudero, 2006). . . . . . . . . . . . . Configuraci´ on Beta, (Escudero, 2006). . . . . . . . . . . . . Configuraci´ on Gamma, (Escudero, 2006). . . . . . . . . . . Ciclo Stirling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Comportamiento del motor seg´ un la etapa del ciclo Stirling, modin´ amica., 2011). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Curva de constante de Beale vs. temperatura. . . . . . . . . Estructura geom´etrica del sistema biela-manivela. . . . . . Vol´ umenes de la estructura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Estructura de alimentaci´ on con Disco Stirling por Vel´azquez (2012). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geometr´ıa de concentrador solar, (Mej´ıa y Zamora, 2008). . Sensor TMP36Gz, (P´erez S´ aez, 2004). . . . . . . . . . . . . Term´ ometro infrarrojo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Interruptor ´ optico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (Ter. . . . . . . . . . . . . . . . et al. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17 18 21 21 22

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11

Diagrama de bloques del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . Implementaci´ on del dise˜ no de pist´on de fuerza y su cilindro. Desplazador y cilindro de desplazamiento. . . . . . . . . . . Dise˜ no del cig¨ ue˜ nal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Volante implementado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Motor Stirling completo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Desplazador y cilindro implementados. . . . . . . . . . . . . Esquema electr´ onico de sensor infrarrojo de temperatura. . Implementaci´ on de interruptor ´optico. . . . . . . . . . . . . Implementaci´ on de opto interruptor ´optico. . . . . . . . . . MLX-90614 en PCB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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23 24 25 26 26 27 28 29 30 31 32

2.1 ´Indice reflectivos de materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

2.7 2.8 2.9 2.10

. . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . .

6 8 9 9 10 11 13 14 15

´Indice de cuadros

vi

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8

Dimensiones mec´ anicas del motor. . . Dimensiones disco Stirling. . . . . . . Prueba de lectura de velocidad . . . . Prueba de lectura de temperatura. . . Vol´ umenes del ciclo . . . . . . . . . . . Comportamiento del motor . . . . . . Comportamiendo del disco parab´olico Variables para energ´ıa u ´til . . . . . . .

vii

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27 28 32 33 33 33 34 35

Nomenclatura Aap

´ Area de la apertura.

Arec

´ Area de apertura del receptor.

E

Fracci´on del concentrador no sombreado por el receptor y dem´as elementos.

F

Conductancia radiativa equivalente.

Ibn

Radiaci´on solar incidente.

Qutil

Energ´ıa t´ermica u ´til suministrada por el receptor.

Tamb

Temperatura ambiente.

Trec

Temperatura de operaci´on del receptor.

U

Coeficiente de p´erdidas por conducci´on y convecci´on debido a corrientes de aire dentro del receptor a conducci´on a trav´es de las paredes del receptor.

α

Absorbancia del receptor.

τ

Transmitancia del medio entre el reflector y el absorbedor.

φ

Factor de interceptaci´on(fracci´on de energ´ıa que una vez abandonado el reflector entra en el receptor).

ρ

Reflectividad del concetrador.

σ

Constante de Stefan-Boltzmann.

θi

´ Angulo de incidencia(en discos parab´olicos es cero).

f

Punto focal.

φr

´ Angulo de borde del receptor.

rr

Radio de borde del receptor.

ix

1

Introducci´ on

1.1

Introducci´ on

Debido a la problem´ atica de la contaminaci´on ambiental, provocada por la producci´ on de energ´ıa con materias no renovables y, por consiguiente, la emisi´ on de CO2 , principalmente, utilizando hidrocarburos, el sistema productivo ha debido buscar medios de producci´on de energ´ıa con materias limpias, ya que, las repercusiones de las emisiones de gases han provocado en la naturaleza un desequilibrio ambiental, tales como el efecto invernadero y el calentamiento global. Haciendo que el mismo desarrollo est´e destruyendo la calidad de vida de los seres vivos, en general. Como modo de evitar un mayor da˜ no ambiental, las industrias generadoras y dise˜ nadoras de maquinaria de producci´on de energ´ıa han visto una alternativa viable en la utilizaci´on de energ´ıa solar como medio de generaci´on de energ´ıa el´ectrica, de modo que se ha vuelto una re inventiva de la producci´on de herramientas que faciliten este objetivo. Una herramienta u ´til en la soluci´on de la implementaci´on de energ´ıa solar, es la utilizaci´ on de motores tipo Stirling, los cuales se basan en la combusti´on externa, evitando mayores p´erdidas y permitiendo la implementaci´on de colectores de energ´ıa solar y producci´on de flujo de trabajo utilizando sustancias como aire, hidr´ ogreno, entre otros, hasta lograr generar energ´ıa el´ectrica. Las primeras apariciones del motor Stirling, se dieron en el siglo XIX, donde la maquinaria utilizada, eran calderas para m´aquina de vapor, las cuales provocaron muchos accidentes debido a la explosi´on de las mismas. Aunque, despu´es de la introducci´on de los hidrocarburos, el desarrollo de la tecnolog´ıa de combusti´ on externa, fue mermando, a tal punto de quedar en el olvido, hasta ahora. Actualmente, muchos pa´ıses est´an desarrollando avances impresionantes en los motores Stirling, convirti´endolos en una v´ıa confiable de minimizar el da˜ no ambiental y disminuir los gastos producidos por los altos precios del petr´ oleo, producto que hasta ahora, es la principal fuente de generaci´on de energ´ıa y de contaminaci´on, alrededor del mundo. 1

2

1 Introducci´on

1.2

Justificaci´ on

Dada la problem´ atica de la contaminaci´on ambiental producida por la cantidad de emisiones de gases a la atm´ osfera como consecuencia de la producci´on de energ´ıa el´ectrica, inherente en el desarrollo del ser humano, es de suma urgencia, utilizar medidas alternativas, menos perjudiciales al ecosistema. La idea de implementar sistemas alimentados por fuentes no invasivas tales como la energ´ıa solar, parece y es, un modo de contribuir con el objetivo. La utilizaci´ on de un motor Stirling en un generador el´ectrico, presenta una tecnolog´ıa en auge, con la idea de familiarizar y recopilar los conceptos referentes a este tipo de tecnolog´ıas controladas por la plataforma Arduino. Se desea presentar las ventajas de la utilizaci´on de un dise˜ no industrial que hab´ıa sido desechada por la industria de hidrocarburos. Realizando la construcci´ on del motor y el espejo solar, guiados por la informaci´ on facilitada de empresas pioneras en el tema y la brindada por el profesor gu´ıa, se presentar´ a una alternativa de una tecnolog´ıa de fuente limpia y que cuya ingenier´ıa y producci´ on podr´ıa representar un costo accesible si los inversionistas y el mercado conciliaran un acuerdo, ya que, la parte econ´omica es importante en esta eventual empresa.

1.3

Alcance del proyecto

Se desea, mediante la construcci´ on e implementaci´on de un motor Stirling, lograr generar energ´ıa el´ectrica, utilizando un espejo parab´olico, el cual permita obtener del Sol, la energ´ıa suficiente para alimentar el motor Stirling. Una vez logrado lo anterior, se pretende utilizar un sistema de control con la plataforma Arduino, el cual se encargue de regular de manera autom´atica, la salida de la potencia entregada por el generador el´ectrico, dependiendo de la capacidad de producci´ on del motor.

1.4 1.4.1

Objetivos Objetivo general

Construir un generador de electricidad utilizando un motor Stirling solar.

1.4.2

Objetivos espec´ıficos

Para el desarrollo de este proyecto se establecieron los siguientes objetivos: • Estudiar el funcionamiento del Arduino UNO.

1.5. Metodolog´ıa

3

• Estudiar el funcionamiento de los espejos parab´olicos para captaci´on de energ´ıa solar • Estudiar el funcionamiento del motor Stirling. • Construir un espejo parab´olico solar. • Construir un motor Stirling solar. • Implementar un generador de electricidad utilizando un motor tipo Stirling solar. • Implementar el sistema de control de la potencia de salida del generador por medio de una tarjeta Arduino UNO.

1.5

Metodolog´ıa

Para la elaboraci´ on del proyecto, se deben seguir ciertos pasos, para lograr un optimo desarrollo en la soluci´on, es as´ı como se enumeran a continuaci´on. ´ 1. Investigaci´ on de la estructura y comportamiento del motor Stirling. 2. Contrucci´ on del motor Stirling. 3. Investigaci´ on de la construcci´on de espejos parab´olicos y su implementaci´ on en motores Stirling. 4. Utilizaci´ on de la plataforma Arduino, con el fin de obtener el dominio adecuado de la herramienta. 5. Programaci´ on de la plataforma Arduino, seg´ un los requerimientos del generador. 6. Realizaci´ on de pruebas, a nivel f´ısico, de las estructuras construidas. 7. Obtenci´ on de las pruebas pertinentes del proyecto completo. 8. Recopilaci´ on de resultados. 9. An´ alisis de los resultados obtenidos. 10. Utilizaci´ on de los an´alisis en el trabajo te´orico final.

2

Marco Te´ orico

2.1

Motores Stirling

Se define m´ aquina de Stirling al motor que convierte energ´ıa cal´orica en energ´ıa mec´ anica y viceversa, intercambiando, internamente, gases a diferentes temperaturas. Este se diferencia de otros mecanismos relacionados, ya que, su principal caracter´ıstica est´a basada en el cambio volum´etrico que se logre con los cambios de temperatura. En el motor Stirling, el gas se encuentra confinado en una c´amara cerrada termodin´ amicamente, lo que no permite la interacci´on del interior con el ambiente externo. El gas se desplaza de un extremo a otro de la c´amara, cuando est´ a en un extremo, una fuente de calor externa lo calienta, esto hace que se expanda y as´ı se produce la fuerza del motor. Una vez que alcanza su m´axima expansi´ on, el gas se traslada al otro extremo de la c´amara, por un desplazador, donde es enfriado, provocando que se realice la compresi´on isot´ermica. Despu´es se lleva nuevamente al extremo caliente para iniciar un nuevo ciclo. El tambor desplazador mueve el gas entre los dos extremos de la c´amara y el pist´ on de potencia aprovecha la expansi´on para producir la fuerza del motor (Ag¨ uero Zamora, 2006). Los motores de ciclo Stirling, utilizados en sistemas solares de alta temperatura, utilizan hidr´ ogeno o helio como gas de trabajo a elevada presi´on. La temperatura de trabajo del gas puede llegar a sobrepasar los 700◦ C, y la presi´ on alcanzada puede ser de hasta 20 MPa en modelos de alto rendimiento. En el ciclo Stirling, el fluido de trabajo es alternativamente calentado y enfriado en procesos a temperatura constante y a volumen constante. Por lo general, los motores Stirling incorporan un regenerador para conseguir una mejora de la eficiencia. El regenerador capta el calor y realiza la refrigeraci´on a volumen constante y lo suministra cuando el gas se calienta a volumen constante.

2.1.1

Secciones mec´ anicas del motor Stirling

Un motor Stirling general se muestra en la figura 2.1, el cual posee varias piezas mec´ anicas, que realizan el proceso termodin´amico necesario para cumplir la generaci´ on de energ´ıa mec´anica a partir de cal´orica. Donde se puede observar que est´ a conformado por, 1-Fuente de calor de alta temperatura, 2Pist´ on desplazador, 3-Regenerador, 4-Sumidero de calor de baja temperatura, 5

6

2 Marco Te´orico

Figura 2.1: Construcci´ on mec´anica general de motor Stirling. 5-Pist´on de potencia, 6-Barra de conexi´on, 7-Barra de conexi´on para pist´on desplazador, 8-Volante de inercia (Ag¨ uero Zamora, 2006). 1. Pist´ on El pist´ on realiza la parte del trabajo motriz del motor, este trabajo se realiza s´ olo cuando ocurre la expansi´on, por lo que debe de ser de un material liviano. Como este se encuentra operando en la zona fr´ıa, se puede utilizar materiales como el aluminio en motores de gran tama˜ no o tefl´ on para motores peque˜ nos. Si el sistema es presurizado, el pist´on debe tener anillos alrededor de su circunferencia, pero en motores peque˜ nos, no hay necesidad de estos anillos (Ag¨ uero Zamora, 2006). 2. Desplazador Como su nombre lo indica, es el encargado de desplazar el gas desde la zona fr´ıa a la zona caliente y viceversa, generando un gradiente de temperatura entre ambas zonas. Esto se puede lograr, asegurando que el desplazador est´e construido por un material que se comporte como aislante t´ermico, mas, debido a la complejidad y alto costo que significa cumplir con esa caracter´ıstica, se puede utilizar un desplazador de mayor longitud, con materiales de baja conducci´on t´ermica. Si el motor es peque˜ no, se suele utilizar el desplazador como un regenerador, pero con las paredes lo m´ as delgadas posibles.

2.1. Motores Stirling

7

Al igual que el pist´on, estos deben ser livianos, ya que, al producirse la expansi´ on, el desplazador se mueve junto con el pist´on y al aumentar el peso que debe mover el gas, hace que se disminuya la potencia del motor. Dependiendo del tama˜ no, los materiales de construcci´on pueden variar un poco, ya que, para motores peque˜ nos, el material a utilizar puede ser el aluminio, sin embargo, para motores grandes, lo ideal es utilizar acero, debido a su comportamiento t´ermico. Las dimensiones del desplazador, deben ser relacionadas tanto con la longitud del cilindro, como con s´ı mismo. Es por eso que se recomienda que la longitud de este sea de 1 a 3 veces su di´ametro y la holgura radial, que debe haber entre ´este y el cilindro, es de 1 a 2 % del di´ametro del cilndro, para que exista un efecto de regeneraci´on (Ag¨ uero Zamora, 2006). 3. Regenerador Es sumamente necesario utilizar regenerador cuando el motor Stirling es presurizado, tambi´en, cuando el motor tenga grandes dimensiones a pesar de que no est´e presurizado. El regenerador absorbe y entrega calor al fluido de trabajo compensando una parte del calor perdido por el motor y absorbiendo el calor sobrante, haciendo que la velocidad y la potencia del motor se incrementen, ya que, al utilizar un regenerador, el motor se vuelve m´as r´apido y adem´as de eso, disminuir´ıa la cantidad de combustible utilizado (Ag¨ uero Zamora, 2006). Suponiendo la temperatura en la zona caliente de, al menos, 400◦ C y en la zona fr´ıa a 40◦ C. Cuando el gas pasa de la zona fr´ıa a la zona caliente, un regenerador ideal elevar´ıa la temperatura del gas hasta 300◦ C, por lo tanto, el calentador tiene que entregar menos cantidad de calor para subir la temperatura del gas de 300 a 400◦ C, de la misma manera, cuando el gas pasa de la zona caliente a la zona fr´ıa, el calor absorbido por el regenerador dejar´ıa al gas que est´a en el lado fr´ıo a una temperatura de 100◦ C y s´ olo se tendr´ıa que enfriar un poco para pasar de 100 a 40◦ C. Con esto se lograr´ıa, en ambos casos, reducir el tiempo de calentamiento y enfriamiento del gas con lo cual el ciclo se desarrolla m´as r´apidamente. 4. Volante Es la parte que entrega energ´ıa al ciclo para que se produzca la compresi´ on del gas de trabajo y tambi´en ayuda a mantener estable el giro del motor(Ag¨ uero Zamora, 2006).

8

2 Marco Te´orico

2.1.2

Tipos de configuraci´ on mec´ anica de motor Stirling.

Los motores Stirling puede presentar 3 tipos de configuraci´on, esto cambia su estructura mec´ anica, pero no su funcionamiento. • Configuraci´ on tipo alfa: La figura 2.2, muestra la configuraci´on alfa, la cual consiste en dos cilindros independientes, que se desplazan, comunicados por un conducto donde se encuentra el regenerador en el cual se realiza la transferencia de calor. Cada uno de los cilindros alberga un pist´on que se desplazan en direcci´on de 90 ◦ C respecto del otro. El desfase hace que el aire pase de un cilindro a otro, calent´ andose, enfri´ andose y realizando el trabajo que permite el funcionamiento del motor (Escudero, 2006). Zona caliente Regenerador Zona fría

Figura 2.2: Configuraci´on Alfa, (Escudero, 2006).

• Configuraci´ on Beta: Esta configuraci´ on consta de un cilindro donde se incorporan el desplazador y el pist´ on de potencia. Este cilindro posee una zona caliente y otra fr´ıa, en donde sucede el proceso termodin´anico. El pist´on es conc´entrico con el desplazador, los cuales poseen un desfase entre ellos de 90◦ , mediante un cig¨ ue˜ nal especial que permite el correcto funcionamiento del motor. La figura 2.3 muestra la representaci´on gr´afica de esta configuraci´ on (Escudero, 2006). • Configuraci´ on gamma: Esta configuraci´ on presenta dos cilindros, uno alberga el pist´on y el otro, el desplazador. El mecanismos est´a unido mediante el sistema bielamanivela, seg´ un la figura 2.4 (Escudero, 2006).

2.1. Motores Stirling

9 Zona caliente

Zona fría

Figura 2.3: Configuraci´on Beta, (Escudero, 2006).

Figura 2.4: Configuraci´on Gamma, (Escudero, 2006).

2.1.3

Ciclo Ideal de Stirling

Como todo sistema termodin´amico, el motor Stirling presenta un ciclo con el mismo nombre, lo cual explica el comportamiento del motor a los cambios de temperatura. Esto permite obtener un mejor an´alisis para determinar condiciones de fabricaci´ on para obtener un mejor desempe˜ no. Seg´ un (Escudero, 2006), el ciclo est´ a compuesto por dos procesos isot´ermicos y dos isom´etricos y la regeneraci´ on se enfect´ ua a volumen constante. Los elementos a tener en cuenta en el ciclo Stirling, b´asicamente, son el cilindro, el pist´ on, el fluido y el desplazador. El fluido se desplaza de la zona caliente a la fr´ıa y viceversa, a lo largo de los diversos ciclos de trabajo, atravesando el regenerador. La figura 2.5 muestra el gr´afico del ciclo de Stirling

10

2 Marco Te´orico

que presenta la variaci´ on de la presi´on en funci´on del volumen y la variaci´on de la temperatura en funci´ on de la entrop´ıa.

P

T

3

4

3

Q Qreg 2

3-4

4

Qreg Q

1-2

2

1

v

1

s

Figura 2.5: Ciclo Stirling. El proceso se explicara partiendo del estado 1, en donde el gas se encuentra en la zona fr´ıa y el pist´ on est´ a en la posici´on superior, que corresponde a la figura 2.6a. Como se observa en la figura 2.5, el proceso de 1 a 2 realiza una compresi´ on isot´ ermica durante la temperatura m´as baja, logrando extraer calor del ciclo. Con lo que el trabajo realizado en el proceso es igual al calor rechazado en el ciclo, tal como muestra la ecuaci´on (2.1) (Termodin´amica., 2011). Z V2 V1 W1−2 = dW = nRT2 ln = −Q1−2 (2.1) V2 V1 En el proceso de 2 a 3, el ciclo produce un calentamiento isoc´ orico, en donde el pist´ on se mantiene fijo y se mueve el desplazador (v´ease figura 2.6b), entonces se hace pasar todo el fluido a la zona caliente, aumentando la presi´on, manteniendo el mismo volumen. En este proceso, el regenerador agrega calor al gas, elevando su temperatura de Tmin a Tmax , haciendo que el calor aportado se convierta completamente en trabajo mec´anico, (Termodin´amica., 2011). En el proceso de 3 a 4, se realiza una expansi´ on isot´ ermica, en la cual se mueven el pist´ on y el desplazador (figura 2.6c), entreg´andole calor externo a la sustancia de trabajo (Termodin´amica., 2011). De 4 a 1, el ciclo vuelve al estado inicial, en donde la temperatura es m´ınima, el proceso es enfriamiento isom´ etrico y el regenerador absorbe calor. El desplazador se mueve hacia arriba y el gas caliente fluye a trav´es del regenerador hacia la zona enfriada inferior del cilindro (figura 2.6d). Mientras que el gas es enfriado, la energ´ıa interna se reduce y provoca que el calor se transfiera al regenerador calent´ andolo y luego vuelve a quedar disponible para el calentamiento isoc´ orico del gas(Termodin´amica., 2011). La figura 2.6 muestra las posiciones del pist´on para cada una de los procesos del ciclo.

2.2. Modelado matem´ atico termodin´amico.

(a) Compresi´ on isot´ermica.

(c) Expansi´ on isom´etrico.

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(b) Calentamiento isoc´ orico.

(d) Enfriamiento isot´ermica.

Figura 2.6: Comportamiento del motor seg´ un la etapa del ciclo Stirling, (Termodin´ amica., 2011).

2.2

Modelado matem´ atico termodin´ amico.

Con el fin de determinar el mejor desempe˜ no posible de la estructura f´ısica, se realiza un modelo matem´atica del comportamiento del motor, con el objetivo de obtener un mejor dise˜ no para optimizar el comportamiento.

2.2.1

Modelo de Primer Orden

Seg´ un, Vidal (2008), estas relaciones permiten obtener un comportamiento ideal del sistema, que involucra las dimensiones del motor con la potencia de salida del mismo, de manera que se facilite determinar las variables cr´ıticas.

12

2 Marco Te´orico

´ Trabajo Util Para esto se tienen los modelos de Schmidt y West. Estos modelos consideran las leyes de los gases ideales, haciendo las siguientes suposiciones: - No hay p´erdidas de presi´ on en los intercambiadores de calor y no hay diferencias de presi´ on interna. - Los procesos de expansi´ on y compresi´on son isot´ermicos. - El gas es considerado un gas ideal. - Hay regeneraci´ on perfecta. - El espacio muerto de expansi´on es mantenido a la temperatura Te y el de compresi´ on a Tc . - El espacio de expasi´ on es Ve y de compresi´on es Vc . Modelo de Schmidt: Este se basa en un modelo isot´ermico y considerando movimientos de los pistones sinusoidales. Gracias a este modelo, se ha sido capaz de mejorar el comportamiento de los motores Stirling, por su relaci´on entre las dimensiones de las piezas del motor y su potencia de salida. La ecuaci´on (2.2) determina la relaci´ on del trabajo realizado por ciclo. WSchmidt = π(1 − τ )pm VD

kp sin(α) √ Y + Y 2 − X2

(2.2)

C , con TC , siendo la temperatura de la fuente de calor y siendo τ = TTH TH , la temperatura de la fuente fr´ıa; pm , la presi´on del gas dentro del V motor; kp = VDp , donde Vp es el volumen barrido por el pist´on y VD , es el volumen barrido por el desplazador, adem´as, α, es el ´angulo con el que el desplzador adelanta al pist´on. Ahora bien, las expresiones para X y Y est´ an vistas por las ecuaciones (2.3) y (2.4).

X=

q (1 − τ )2 − 2(1 − τ )kp cos(α) + kp2

Y =1+τ +

4kp τ + kp 1+τ

(2.3)

(2.4)

2.2. Modelado matem´ atico termodin´amico.

13

Modelo de West: Es m´ as simple, sin embargo, presenta un ligero porcentaje de error con respecto al resultado obtenido por Schmidt, pese a esto, es muy utilizado y su f´ ormula se muestra en (2.5) Wwest =

πpm VD VP × 2 VD + Vn +

VP 2

×

TH − TC sin(α) TH + TC

(2.5)

con Vn siendo la velocidad del motor en rpm. Potencia de salida F´ ormula de Beale William Beale de la empresa Sunpower, Inc., determin´o la potencia de salida del motor, despu´es de muchas investigaciones, como la ecuaci´on (2.6) (Mar´ın, 2009) P = Nb pm f Vo (2.6) siendo pm la presi´ on promedio ejercida sobre el gas de trabajo, dada por pm = nRT /V , donde n es el n´ umero de moles, V es el volumen de la sustancia, T es la temperatura y R es la constante de gas ideal; f es la frecuencia del motor en Hz; Vo es el volumen desplazado por el pist´on de trabajo en cm3 y la constante de Beale, NB , es determinada por la temperatura de la zona caliente del motor, seg´ un la curva de la figura 2.7, Vidal (2008).

Número de Beale

0.020

0.015

0.012

0.005

600

800

1000

1200

Temperatura fuente caliente [K] Figura 2.7: Curva de constante de Beale vs. temperatura. Claramente, el n´ umero de Beale depende de la temperatura, pero, tanto de la zona fr´ıa, como de la caliente, es por eso, que al tener un dise˜ no de

14

2 Marco Te´orico alta eficiencia y/o baja temperatura en la fuente fr´ıa, se debe utilizar la l´ınea punteada superior para el c´alculo y si por el contrario, se cuenta con una eficiencia moderada, se debe utilizar la l´ınea inferior, Vidal (2008). Realizando una mejora a la ecuaci´on (2.6), para potencia con presi´on media, realizada por Walker, West y Senft, se obtiene la ecuaci´on (2.7), donde el coeficiente F est´ a en el rango 0,25 − 0,35. P = F pm f VP

2.2.2

TH − TC TH + TC

(2.7)

Sistema mec´ anico biela-manivela

El sistema mec´ anico empleado para realizar la transmisi´on de energ´ıa, est´a basado en dos bielas con dos manivelas, comunicadas en el mismo eje y cuya impresi´ on geom´etrica se visualiza en la figura 2.8. La longitud de la biela, est´a dada por la variable l; la manivela, por r y la longitud total alcanzable por el pist´ on o desplazador desde la altura del eje, en funci´on del ´angulo θ, est´a dada por x. El ´ angulo θ se incrementa en sentido antihorario.

θ

x

r

l

Figura 2.8: Estructura geom´etrica del sistema biela-manivela. La relaci´ on que modela dicho sistema est´a dado por la ecuaci´on (2.9) y se obtiene de un an´ alisis geom´etrico en conjunto con propiedades matem´aticas ya conocidas. Por ley de Cosenos se tiene el largo de la biela dada por la ecuaci´on (2.8) l2 = r2 + x2 − 2rx cos(θ)

(2.8)

2.2. Modelado matem´ atico termodin´amico.

15

y aplicando propiedades geom´etricas, se llega a que la distancia entre el cig¨ ue˜ nal y el desplazador o el pist´on de trabajo en funci´on del ´angulo θ, se determina como p x = r cos θ l2 − r2 (sin(θ))2 (2.9) Vol´ umenes y sistema de transmisi´ on

Pistón

vclcd

Vc

Desplazador

vcle

Ve

Figura 2.9: Vol´ umenes de la estructura. Se determina para un mejor dise˜ no, la relaci´on entre las cavidades que desplazan, tanto el pist´ on de trabajo, como el desplazador, con respecto a las dimensiones longitudinales de las bielas, l y del alcance lineal x. Los vol´ umenes de expansi´ on y comprensi´on se pueden observar en la figura 2.9 y las ecuaciones que lo determinan se tienen en (2.10) y (2.11). Ve = (ld + rd − xd )Ad + vcle Vc = (xd + rd − ld )Ad + (lp + rp − xp )Ap + vclcp + vclcd

(2.10) (2.11)

con lp , ld representan los largos de las bielas del pist´on y desplazador respectivamente. rp , rd representan los largos de las manivelas del pist´on y desplazador, respectivamente.

16

2 Marco Te´orico Ap , Ad corresponden al ´ area frontal del pist´on y desplazador, respectivamente. vclcp , vclcd son los vol´ umenes muertos en el espacio de compresi´on.

Eficiencia La eficiencia de este proceso se observa en la ecuaci´on (2.12), dada por (Ag¨ uero Zamora, 2006) Tmin η =1− (2.12) Tmax Conociendo las condiciones (2.13) Tmin = T1 Tmax = T4

(2.13)

Estas ecuaciones permiten demostrar que el ciclo de Stirling presenta la misma eficiencia que el ciclo de Carnot, la cual es la eficiencia m´axima que puede alcanzar una m´ aquina t´ermica en un an´alisis ideal. Seg´ un Vidal (2008), los motores de baja temperatura(menores a 100◦ C) presentan una baja eficiencia, es por esto, que son utilizados, como un sistema demostrativo, sin embargo, estos prototipos proporcionan una visi´on de desarrollo hacia fuentes renovables y limpias, cuya implementaci´on requiere de materiales simples y de bajo costo, lo cual representa una opci´on con grandes m´argenes de ´exito. C´alculos r´ apidos de su eficiencia, considerando una temperatura m´axima ◦ de 100 C y una m´ınima de 35◦ C, presentan, seg´ un Carnot, una eficiencia t´ermica de 17,42 % y realizando una construcci´on f´ısica que garantice un 50 % de eficiencia mec´ anica, esto indica que se obtendr´ıa una eficiencia final del 8, 71 % lo cual, aunque parece muy poco, equivalen a n´ umeros bastante alentadores si tomamos en cuenta que es energ´ıa que no se utiliza lo necesario o lo suficiente.

2.3

Disco Parab´ olico Stirling

Los sistemas disco-Stirling han desarrollado un mejoramiento en el desempen ˜o de esta tecnolog´ıa, alcanzando una eficiencia m´axima de 30 %, con una producci´ on diaria de hasta 25 % en unidades de 7 a 25kW (Escudero, 2006). Dada su geometr´ıa parab´ olica y su relaci´on foco-di´ametro (f/D=0.6), permite alcanzar niveles de concentraci´on muy altas. Estas concentraciones permiten percibir de 650 hasta 800◦ C, con lo que la eficiencia registrada en los

2.3. Disco Parab´ olico Stirling

17

motores Stirling, bajo estas condiciones, rondan entre 30 % y 40 %. Los receptores para sistemas disco-Stirling son de tipo cavidad, con una peque˜ na apertura y su correspondiente sistema de aislamiento. El concentrador de forma ideal es un paraboloide de revoluci´on. Algunos concentradores solares aproximan esta forma con m´ ultiples espejos en forma esf´erica, sujetos mediante una estructura apropiada. La figura 2.10 muestra un sistema de generaci´ on Stirling, aplicando una estructura de disco/absorvedor/ motor/generador. Absorvedor

Q conducción

Regenerador Enfriador sol

Q conducción

nxctot

Q útil (Qen,mot)

Q convección Q rad.reflejada Q rad.emitida Potencia motor

Figura 2.10: Estructura de alimentaci´on con Disco Stirling por Vel´azquez et al. (2012). El coeficiente de concentraci´on, que se define como el flujo medio solar que atraviesa la apertura del receptor, dividido por la irradiaci´on solar normal directa del ambiente, es t´ıpicamente m´as de 2000. Este nivel de concentraci´on, importante para obtener altos niveles de producci´on y eficiencia, se logra con la precisi´ on en el dise˜ no ´optico del concentrador. Las mayores tecnolog´ıas Dish Stirling, utilizan un sistema de seguimiento, el cual realiza un control autom´atico de predicci´on de giro de la Tierra, para enfocar los rayos del sol de mejor manera y optimizar el nivel de concentraci´on, utilizando un sensor de seguimiento (Losada San Jos´e, 2009).

18

2 Marco Te´orico

Geometr´ıa de disco parab´ olico Dada la figura 2.11, seg´ un Mej´ıa y Zamora (2008), las relaciones de la geometr´ıa del concentrador solar se presentan en las ecuaciones (2.20) y (2.21). Punto focal z

z F φ

φ

Φr

Φr rr

rr

Paraboloide

Parábola B

r A

y Da / 2

y x Da

Figura 2.11: Geometr´ıa de concentrador solar, (Mej´ıa y Zamora, 2008). Como se considera que el disco de la figura 2.11 tiene origen en el v´ertice, se obtienen las ecuaciones (2.14), (2.15) y (2.16). Donde φr , es el ´angulo de borde y rr , es el radio de borde. y 2 = 4f z tan(φr ) =

y f −z

(2.14) (2.15)

y (2.16) rr Despejando para z en la ecuaci´on (2.15) y sustituyendo en (2.16), se obtiene la relaci´ on (2.17) 4f y y 2 = 4f 2 − (2.17) tan(φr ) sin(φr ) =

Considerando la identidad trigonom´etrica cos2 (φr ) + sin2 (φr ) = 1 y sustituyendo la ecuaci´ on (2.16) en (2.17), se tiene que, 2f (2.18) 1 + cos(φr ) Utilizando la relaci´ on y = Da /2 en la ecuaci´on (2.15), da como resultado rr =

rr =

Da 2 sin(φr )

(2.19)

2.3. Disco Parab´ olico Stirling

19

Entonces, igualando las ecuaciones (2.18) y (2.19), se obtiene la relaci´on directa entre el di´ ametro de apertura, el ´angulo de borde y la distancia focal en la ecuaci´ on (2.20). Da f= (2.20) 4 tan( φ2r ) Para la relaci´ on entre el ´angulo de borde, la distancia focal y la longitud del di´ ametro de apertura, se realiza otro conjunto de propiedades trigonom´etricas, haciendo que esta relaci´on se presente en la ecuaci´on (2.21)   8f   Da  φr = tan− 1  (2.21)   f 2 16( ) −1 Da

2.3.1

Receptores

Seg´ un (Losada San Jos´e, 2009), el receptor constituye la comunicaci´on del flujo entre el concentrador y el motor Stirling, debiendo cumplir con dos objetivos fundamentales, la absorci´on de la radiaci´on solar reflejada por el concentrador y la transmisi´ on de la energ´ıa absorbida al motor Stirling en forma de calor con las m´ınimas p´erdidas. Los receptores son de cavidad, en las par´abolas donde la radiaci´on concentrada entra por una apertura, incidiendo posteriormente sobre el absorbedor. Disminuyendo as´ı, la cantidad de p´erdidas radiactivas y conectivas. Los dos receptores utilizados en esta tecnolog´ıa, son el receptor de tubos de iluminaci´on directa y los receptores de reflujo.

2.3.2

Optimizaci´ on de trasmisi´ on de energ´ıa

Se sabe que la operaci´ on ´optima de un sistema Stirling est´a dada por la relaci´on de los sistemas que lo componen, por esta raz´on, la energ´ıa u ´til captada por el conjunto concentrador/receptor viene dada por la expresi´on de la ecuaci´on (2.22) seg´ un (Losada San Jos´e, 2009). Qutil = Ibn Aap E cos(φi )ρφτ α − Arec [U (Trec ) − Tamb ] 4 − T4 ) +σF (Trec amb

(2.22)

Para obtener mejores resultados y maximizar Qutil , se tiene la relaci´on de concentraci´ on geom´etrico en un concentrador ´optico de la ecuaci´on (2.23), donde es necesario, seg´ un Losada San Jos´e (2009), que Aap sea grande y Arec sea peque˜ no. CRg = Aap /Arec

(2.23)

20

2 Marco Te´orico

Si desarrollamos la expresi´ on de la relaci´on en funci´on de los par´ametros geom´etricos del paraboliode, dependiendo del ´angulo l´ımite o de contorno θ, obtenemos la ecuaci´ on (2.24), mostrando la relaci´on de concentraci´on geom´etrico para su valor m´ınimo. CRminimo =

sin2 φr cos2 (∆ + φr ) sin2 φr

(2.24)

Te´ oricamente el valor m´ aximo de esta relaci´on deber´ıa situarse en CRgmax = 46,200 y conociendo las relaciones de las ecuaciones que describen la distancia focal y el di´ ametro del concentrador (2.20 y 2.21 ), se llega a la conclusi´on que la relaci´ on focal y el ´ angulo l´ımite φr , deben ser φr = 45◦ f /D = 0,6

2.3.3

(2.25)

Materiales reflectivos de colectores solares

La tabla 2.1 muestra ´ındices reflectivos para diferentes materiales, los cuales deben tomarse en cuenta para la elecci´on de dise˜ no del colector. Cuadro 2.1: ´Indice reflectivos de materiales PCV blanco Aluminio de alta reflectividad (verde) Aluminio de alta reflectividad (rosado) Aluminio de alta reflectividad (celeste) Chapadur prepintado blanco Chapa galvanizada Chapa pintada de blanco nueva Chapa pintada de blanco envejecida

0.871 0.839 0.853 0.82 0.741 0.588 0.582 0.656

Fibra de vidrio pintada de blanco Espejo de vidrio de 2 mm Espejo de vidrio de 3 mm Espejo de vidrio de 4 mm Acero inoxidable Mylar Papel aluminio

0.709 0.795 0.754 0.712 0.572 0.833 0.799

En la elecci´ on del material reflector, se debe tomar en cuenta obtener el valor m´ aximo entre el producto del espectro solar y el espectro espacial, esto, con el fin, de obtener un m´aximo nivel de espectro solar. Adem´as de la disponibilidad y el costo del material y la facilidad de manipulaci´on de este, para conseguir buenos resultados.

2.3.4

Sensores con Arduino

Medici´ on de temperatura • Sensor TMP36: Para la obtenci´ on de la temperatura interna del motor, se utiliz´o un sensor de temperatura, TMP36, cuya hoja de fabricante se encuentra

2.3. Disco Parab´ olico Stirling

21

anexada al final del documento, este sensor cuenta con un rango de medici´ on de −40◦ C hasta los 125◦ C y trabajando con una tensi´on de alimentaci´ on, Vcc = 2,7 − 5,5V. Su encapsulado se muestra en la figura 2.12. TMP 36G

Pin 1 Pin 2

Pin 3

Figura 2.12: Sensor TMP36Gz, (P´erez S´aez, 2004). La se˜ nal dada por el sensor ser´a transmitida al Arduino mediante cables conectados a las terminales del dispositivo y cuya informaci´on ser´a recibida por un pin de lectura anal´ogica de la interfaz. • Sensor MLX90614: Como se determina en los detalles brindados por el fabricante en el anexo A4, el sensor especificado posee la capacidad de medir la temperatura de objetos que se encuentran a cierta distancia, o sea, sin necesidad de tener contacto f´ısico con este, gracias a su aplicaci´on infrarroja. La figura 2.13 muestra una vista superior del esquema del sensor explicado, el cual, cuenta con 4 terminales y sus respectivas aplicaciones.

Figura 2.13: Term´ometro infrarrojo.

Medici´ on de velocidad • ITR9608-F: De forma simple, se desea obtener la cantidad de revoluciones en la salida del motor, para as´ı conocer su capacidad de producci´on. Es por

22

2 Marco Te´orico eso que se coloca un sensor o´ptico ensamblado en conjunto con el volante y una rejilla, la cual har´ a una interrupci´on al pasar por el sensor, el cual consiste en un interruptor ´ optico, ITR9608-F. Este dispositivo consiste en un encapsulado que posee un transistor comunicado con un LED y cuya hoja de fabricante se presenta en los anexos. El encapsulado del interruptor ´ optico se observa en la figura 2.14, con el fin de generar una visi´ on m´ as clara de la implementaci´on.

E C A K

Figura 2.14: Interruptor ´optico.

3

Experimentaci´ on

Como objetivo principal de proyecto, lo que se desea es obtener un sistema de generaci´ on de energ´ıa el´ectrica, utilizando, como se menciona en la nota te´ orica, un motor termo-solar Stirling alimentado por un disco parab´olico, seg´ un el esquema mostrado en la figura 3.1. El modelo utilizado es el sistema gamma, el cual se observa en la secci´on anterior, este cuenta con dos pistones separados, encerrados en una c´amara termodin´amica. Radiación solar

Disco parabólico

Motor Stirling

Generador de imanes

Figura 3.1: Diagrama de bloques del sistema.

3.1

Dise˜ no del motor Stirling

El motor dise˜ nado trabajar´a con una baja diferencia de temperatura, es por esto que se estipulan ciertas caracter´ısticas que permiten optimizar las condiciones de dise˜ no, tales como: - La raz´ on entre el volumen barrido por el desplazador y por el pist´on de trabajo, debe ser grande. - El di´ ametro del desplazador debe ser grande. - La carrera del desplazador debe ser corta. - La velocidad de operaci´on debe ser baja.

3.1.1

Dimensionamiento del motor

La parte f´ısica del sistema, conlleva una implementaci´on termodin´amica utilizando dimensiones a baja escala, con el fin de darle una vista acad´emica al estudio del sistema de generaci´on. Como se mencion´ o en la nota te´orica, el sistema gamma presenta dos pistones por separados, los cuales se desplazan por dos cilindros. 23

24

3 Experimentaci´on • Pist´ on de zona fr´ıa: El pist´ on de la zona fr´ıa es confeccionado con tefl´on, ya que, las dimensiones tanto f´ısicas, como energ´eticas, equivalen a un motor peque˜ no. Se presenta un pist´ on de 2 cm de altura y 2 cm de di´ametro. La figura de dicho pist´ on se observa en 3.2a y como se puede observar, cuenta con un mecanismo sobre la cara superior, con el fin de facilitar el enganche a la respectiva biela. El cilindro por donde este se desplaza, es de aluminio y posee un di´ ametro casi exacto con respecto al di´ametro del pist´on y cuya longitud es de 5 cm, permitiendo al pist´on realizar una carrera de 3 cm. Recordemos que el desplazamiento que realice el pist´on de trabajo, ser´a proporcional a la capacidad de generaci´on de fuerza mec´anica.

(a) Pist´ on/Cilindro de trabajo.

(b) Pint´ on dentro del cilindro de trabajo.

Figura 3.2: Implementaci´ on del dise˜ no de pist´on de fuerza y su cilindro.

• Desplazador: El pist´ on de la zona caliente, tambi´en llamado desplazador, por su funci´ on de desplazar el aire de la zona caliente a la zona fr´ıa y viceversa, consiste en una camisa de aluminio, que posee un 2/3 de la longitud del cilindro donde se desplaza, esto como recomendaci´on de construcci´on para una mejor eficiencia, entonces, sabiendo que el cilindro t´ermico, externo presenta una longitud de 13,5 cm y un di´ametro de 8 cm, el desplazador ser´ a de 9 cm de longitud y un di´ametro de 6 cm. El di´ametro del desplazador posee una diferencia de al menos el 3 % con respecto al di´ ametro en el que se desplaza, esto para que permita el paso de la sustancia de trabajo (aire) a cada zona. El cilindro donde se desplaza este pist´ on es de vidrio transparente con el fin de que el proceso sea apreciable a la vista y se pueda entender cada una de las etapas del mismo. El

3.1. Dise˜ no del motor Stirling

25

cilindro mencionado y el desplazador implementado, se observan en la figura 3.3.

(a) Cilindro/Beaker.

(b) Desplazador.

Figura 3.3: Desplazador y cilindro de desplazamiento. • Vol´ umenes y bielas Aplicando las ecuaciones (2.9), (2.10) y (2.11)y conociendo los vol´ umenes de compresi´on y expansi´on, se obtiene las longitudes correctas para la optimizaci´on del dise˜ no, dadas en la tabla 3.1 • Comunicaci´ on pistones/volantes: Es el sistema mec´ anico que provoca el movimiento del volante en funci´on del comportamiento de los pistones. Esto se logra utilizando un sistema de transmisi´ on, involucrando las bielas/manivelas, para cada pist´on, y un cig¨ ue˜ nal. (V´ease figura 3.2a). La confecci´on de esta etapa no conlleva c´ alculos matem´ aticos complejos, pero si, una exactitud mec´anica entre las comunicaciones, adem´as de que, debido al dise˜ no gamma, las vielas deben permitir el movimiento giratorio del cig¨ ue˜ nal, por esto, se debe implementar un sistema r´ıgido, que permita a los pistones moverse en un solo eje, pero permitiendo que el cig¨ ue˜ nal gire, todo con la misma biela. Como soluci´ on, se construy´o la biela del desplazador en dos partes, una que permitiera su movimiento puramente vertical, utilizando una varilla de 2 mm de di´ ametro y longitud dependiente de la altura del cilindro en que se desplaza, en nuestro caso, la longitud es 16 cm, para que permita sobrepasar el l´ımite del cilindro t´ermico de 13,5 cm, adem´as de una etapa de selladura sobre el mismo. Como se mencion´ o, se realiza una comunicaci´on entre dos pistones, uno de trabajo y otro de desplazamiento, conectados a un cig¨ ue˜ nal, permitido por la interacci´ on de una respectiva biela, sin embargo, parte importante de esta relaci´ on, es la longitud de las manivelas, que dependen directamente de la longitud de la carrera realizada por ambos pistones, por esto,

26

3 Experimentaci´on conociendo una carrera de desplazador de 9,5 cm y del pist´on de trabajo de 3 cm, se dispone manivelas de 2 cm y de 1,6 cm para el desplazador y el pist´ on, respectivamente, lo cual se observa en la figura 3.4. Como parte del dise˜ no, se determin´o que el desplazador adelanta 90◦ al pist´on de trabajo . 1.7 cm 1.5 cm

2 cm

6.5 cm

2 cm

1.6 cm

3.5 cm

Figura 3.4: Dise˜ no del cig¨ ue˜ nal. • Volante: Con el objetivo de aumentar la velocidad de giro del motor, se colocan dos volantes en los extremos externos del cig¨ ue˜ nal, los cuales poseen contrapesos en el l´ımite de sus radios, colocados de manera inversa al comportamiento del desplazador, para que el torque al sistema debido al peso de los contrapesos aumente las fuerzas de levantamiento y descenso, experimentas por el desplazador. La implementaci´on del volante se observa en la figura 3.5.

(a) Vista frontal.

(b) Sistema completo.

Figura 3.5: Volante implementado. La tabla 3.1 determina las principales dimensiones del dise˜ no del motor, en configuraci´ on gamma. La figura 3.6 muestra el resultado de la construcci´on del motor Stirling, obteniendo un sistema termo-solar.

3.1. Dise˜ no del motor Stirling

27

Cuadro 3.1: Dimensiones mec´anicas del motor. Variable Di´ ametro pist´on Carrera de pist´on Biela pist´on Manivela pist´on Di´ ametro desplazador Carrera desplazador Biela desplazador Manivela desplazador

Dimensi´on [cm] 2 3 4,6 2 8 4,5 11,5 2

Figura 3.6: Motor Stirling completo.

28

3.1.2

3 Experimentaci´on

Dise˜ no de disco parab´ olico

Esta etapa de dise˜ no consiste en la obtenci´on de un concentrador de calor capaz de reflejar los rayos de sol incidentes en su superficie hacia un punto central en donde el recolector ser´ıa el encargado de alimentar la zona caliente del motor. Basados en las ecuaciones (2.18) y (2.25), se determin´o que el par´ametro de dise˜ no, Da , fuera de 25 cm, entonces, las dimensiones de dicho disco Stirling se muestran en la tabla 3.2. Cuadro 3.2: Dimensiones disco Stirling. Par´ ametro

Dimensi´on

Da f rr φr

25 cm 15 cm 18 cm 45 ◦

Para el caso de implementaci´ on se combina la utilizaci´on de dos materiales presentes en la tabla 2.1, que corresponden a papel aluminio y espejo de vidrio de 2 cm de grosor, con un ´ındice de reflexi´on de 0,799 y 0,795, respectivamente, como se observa en la figura 3.7. El vidrio se utiliz´o en el punto central del disco y el papel aluminio en los bordes.

(a) Vista semi frontal.

(b) Vista desde el costado.

Figura 3.7: Desplazador y cilindro implementados.

3.1.3

Implementaci´ on del algoritmo en Arduino

Se deben realizar ciertas mediciones en el sistema mec´anico implementado con el objetivo de conocer el comportamiento exacto del sistema de generaci´on, es por esto, que se procede a implementar la interfaz gr´afica, Arduino, con el fin de ejecutar su principal aplicaci´on de micro-control sobre la generaci´on

3.1. Dise˜ no del motor Stirling

29

de electricidad utilizando esta opci´on alterna a la combusti´on interna de los generadores de energ´ıa mec´anica y el´ectrica, utilizados con combustibles f´osiles y que permita visualizar de una manera m´as clara la base de comportamiento del sistema. Medici´ on de temperatura interna. • Sensores TMP36: Los sensores TMP36 generan una salida de tensi´on dependiendo del cambio de temperatura experimentada por el encapsulado mismo dentro del ”beaker”. La relaci´on entre la tensi´on obtenida y la temperatura de inter´es, est´ a dada por el fabricante y determina que por cada 10 mV obtenido, equivale a 1◦ C, es decir, 10 mV/1◦ C. Entonces, se procede a realizar el c´ odigo para la lectura de la temperatura interna del motor, dicho c´ odigo fuente se observa en anexo A4.4. • Sensor MLX90614: Este sensor permite obtener de manera infrarroja la temperatura de un cuerpo, facilitando la obtensi´on de la temperatura de cada etapa del sistema utilizado. La implementaci´on en la plataforma Arduino se observa en la figura 3.8 en el cual el circuito electr´onico mostrada representa una implementaci´ on sencilla, consistiendo, b´asicamente, en dos resistencias y un capacitor, conectados a las patillas del componente MLX90614, este circuito se encuentra recomendado por el fabricante en la hoja de especificaciones, que ha sido anexada. El circuito utilizado para la lectura de temperatura utilizando el MLX90614, se observa en la figura 3.8.

A5 R 4,7K

5V

0V C 0,1u

5V

5V R 4,7K

A4 Figura 3.8: Esquema electr´onico de sensor infrarrojo de temperatura.

Las terminales A corresponden a los pines de lectura anal´ogica 4 y 5, adem´as, la alimentaci´ on Vcc de 3, 3V o 5V depende del c´odigo implementado, en este caso, se utiliz´ o el nivel mayor.

30

3 Experimentaci´on

Medici´ on de velocidad Para la medici´ on de la velocidad, se considera una opci´on simple y robusta, utilizar el sistema ´ optico como un sistema de interrupci´on digital, es decir, que cada vez que la rejilla instalada en el volante pase por el encapsulado, este genere un flanco positivo que ser´ a interpretado por el Arduino como una interrupci´ on discreta, desarrollada en el algoritmo capaz de almacenar el n´ umero de interrupciones generada en cierto diferencial de tiempo y generar un c´alculo de revoluciones entre segundo. El esquema del opto transistor implementado se muestra en la figura 3.9. El algoritmo a implementar se presenta en A4.6. Salida

Vcc

R

R

Vcc

Figura 3.9: Implementaci´on de interruptor ´optico.

3.2. Pruebas y resultados

3.2

31

Pruebas y resultados

Para la verificaci´ on del proyecto, se deben realizar una serie de pruebas al sistema, lo cual procura mostrar el comportamiento del generador termo-solar dise˜ nado. Las pruebas realizadas se muestran en la siguiente secci´on, albergando datos ante cambios provocados a las condiciones de alimentaci´on.

3.2.1

Verificaci´ on de funcionamiento de sensores

Medici´ on de velocidad Sensor ´ optico Como verificaci´ on del sensor de velocidad, se ejecuta el algoritmo anexado, A4.6, donde este se implementa a la salida del motor DC, que var´ıa seg´ un el nivel de tensi´on que se le indique. (utilizar dos alimentaciones 5 y 3 Volts, que son los que tiene Arduino por defecto). La verificaci´on muestra el cambio de la se˜ nal le´ıda por la lectura del pin de Arduino, en la tabla 3.3, cuyo circuito implementado se observa en la figura 3.10.

Figura 3.10: Implementaci´on de opto interruptor ´optico.

Sensores de temperatura TMP36GZ y MLX90614 Se toma como comprobaci´on la aplicaci´on del sistema a agentes externos, con el fin que se experimenten con diferentes temperaturas y se obtiene los valores de la tabla 3.4, donde se muestran los cuerpos a los que estos

32

3 Experimentaci´on Cuadro 3.3: Prueba de lectura de velocidad Tensi´ on [V]

Velocidad [ rpm ]

0 3.3 5

0 170 255

estuvieron expuesto junto con la temperatura registrada. En este caso, se implementan los componentes adicionales necesarios, seg´ un los esquemas de las figuras respectivas. En la figura 3.11 se observa el circuito de lectura de temperatura infrarrojo implementado en PCB.

Figura 3.11: MLX-90614 en PCB.

3.2.2

Motor Striling

Las magnitudes f´ısicas del motor, son pieza fundamental en el an´alisis del comportamiento del motor y para esto se deben conocer ciertas magnitudes que posee la parte mec´ anica y cuya informaci´on necesaria se brinda en la tabla 3.5, en la cual, se puede apreciar los vol´ umenes de trabajo, tanto los u ´tiles, como los poco aprovechados, en cada etapa del ciclo. Para la verificaci´ on del desempe˜ no individual del motor, se procede a calentar su base mediante la implementaci´on de energ´ıa cal´orica proveniente de

3.2. Pruebas y resultados

33

Cuadro 3.4: Prueba de lectura de temperatura. Temperatura [◦ C]

Cuerpo Refrigerador, potencia m´ınima Temperatura ambiente Temperatura corporal Temperatura m´ın. en motor Fuente(15 cm3 alcohol) Fuente (40 cm3 alcohol)

TMP36Gz 10 28.9 32.5 -

MLX90614 4 23 30 36.8 110 167

Cuadro 3.5: Vol´ umenes del ciclo Par´ ametros volum´etricos Resultados / cm3

Vpist

Vdesp

V emax

V cmax

V clcd

V cled

9.5

226

226

209.5

3

8

una flama de magnitud moderada. Esta reacci´ on se resume en la tabla 3.6 mostrando los resultados obtenidos de dicha prueba, determinando la temperatura de la fuente de calor (flama), obtenido por la implementaci´on del CI, MLX90614, con su respectivo c´odigo (A4.5); las temperaturas, TC y TH en el interior del cilindro con la implementaci´ on de A4.4 y su dispositivo, el TMP36GZ y la velocidad del motor en rpm, con la ejecuci´ on del c´ odigo A4.6. Cuadro 3.6: Comportamiento del motor Par´ ametros

Tf uente /

Resultados

167

◦

C

TH / ◦ C 115

TC /

◦

40

C

Velocidad/rpm 87

Con los resultados obtenidos en las tablas 3.5 y 3.6, se procede a aplicar las ecuaciones (2.5 y 2.7), las cuales determinan el trabajo realizado y la potencia de salida lograda en un ciclo, respectivamente. Entonces, para el c´alculo de estas se debe determinar primero la presi´on promedio experimentada por el gas, es por esto que se desarrolla el c´odigo de c´alculo mostrado en A4.7 y se determina la presi´ on dada por 0,4495 J/cm3 , utilizando datos t´ecnicos de (P´erez S´ aez, 2004).

34

3 Experimentaci´on

WW est =

200 × 9,5 115 − 40 0,4495π 2 226 + 4,71 + 87 115 + 40

(3.1)

WW est = 2,3084J P = 0,35 × 0,4495 × 87 × 9, 5 = 130W

(3.2)

Estos resultados permiten determinar la eficiencia del sistema, conociendo la temperatura m´ axima y m´ınima experimentada en el ciclo, entonces se resuelve la ecuaci´ on 2.12 y cuyo resultado se observa en 3.3. η =1−

3.2.3

40 = 0,65 % 115

(3.3)

Disco Stirling

La alimentaci´ on ideal del motor Stirling, para este caso, consist´ıa en la implementaci´ on directa de un disco parab´olico y su justificaci´on se encuentra en la secci´ on anterior. Con relaci´on a lo establecido, se procede a obtener la capacidad de calentamiento que posee el disco dise˜ nado e implementado. Para obtener dicho desempe˜ no se realiza una lectura de temperatura en el recolector situado sobre el punto de enfoque calculado. Como se sabe, la concentraci´on de temperatura depende proporcionalmente del ´angulo de inclinaci´on o ´angulo de incidencia del disco, por esta raz´on, se realizan ligeros cambios en θ sustentando el comportamiento mostrado en la tabla 3.3. Este proceso se realiz´o partiendo del punto de mayor exactitud de inclinaci´on hasta disminuir por completo, el mismo. Cuadro 3.7: Comportamiendo del disco parab´olico ´ Angulo Θ

Temperaruta /◦ C

45◦ 40◦ 35◦ 30◦ 25◦ 20◦ 15◦

53 39 32 28 10 4 0

Los datos para determinar la energ´ıa u ´til, cuya ecuaci´on se observa en 2.22, se determinan en la tabla 3.3, donde se obtienen las mediciones tanto f´ısicas como energ´eticas tomadas por los sensores implementados. El nivel de radiaci´ on solar se consulto en la p´agina del Instituto Metereol´ogico Nacional,

3.2. Pruebas y resultados

35

(Wright, 2008), mostrando que la radiaci´on promedio en el mes de Enero, es aproximadamente 6 MK/m2 , entonces, sabiendo que el receptor posee un ´area de 0,0491 m2 , se obtiene que Ibn = 2,44 kW/m2 . Las ´areas del receptor y de apertura del disco, son 63,62 m2 y 491 m2 , respectivamente. La absorbancia del receptor se obtuvo de datos presentes en Z´ un ˜iga (2014). Los dem´as par´ametros se determinan en la tabla 3.8. Cuadro 3.8: Variables para energ´ıa u ´til Variable

Valor

E F Ibn Tamb Trec U α τ φ ρ σ θi f φr rr

0.36 o.8 2.4 kW 25 ◦ C 55 ◦ C 0 0.17 1.5 0.95 0.778 1.38065 J/K 0 15 cm 12.5◦ 4.5 cm

Entonces, el resultado de la energ´ıa u ´til se observa en (3.4). Qutil = 4023J

(3.4)

Realizando una comparaci´on de los resultados obtenidos, se observa que las dimensiones f´ısicas del disco parab´olico no son suficientes para solventar las necesidades energ´eticas del motor, es por esto, que realizando una suposici´on lineal en el comportamiento entre estructura y concentraci´on y considerando que la apertura de este a 25 cm de di´ametro con una captaci´on m´axima de 55◦ C en el receptor, para obtener una generaci´on de 100◦ C, se debe construir un disco de al menos 50 cm de di´ametro.

36

3 Experimentaci´on

3.3 3.3.1

Conclusiones y Recomendaciones Conclusiones

• Se investig´ o sobre el desarrollo de energ´ıa el´ectrica basado en fuentes renovables y abundantes, como es el caso de la radiaci´on solar, presentando para esto una alternativa, temporalmente olvidada, pero que representa una excelente propuesta para financiar proyectos acordes, capaces de disminuir la cantidad de contaminaci´on producida por las fuentes f´osiles y adem´ as, debilitar la fuerte dependencia hacia estas fuentes contaminantes, de las cuales no poseemos producci´on y que generan, por esto, disminuci´ on de nivel econ´ omico del pa´ıs. • Para realizar un aporte a opciones de desarrollo con fuentes de energ´ıas limpias, se investig´ o sobre la utilizaci´on de concentradores solares, los cuales son aplicados en algunos pa´ıses de primer mundo, que representan una opci´ on viable en el aprovechamiento de esta fuente e energ´ıa que poco se aprovecha. • Como opci´ on al desarrollo de energ´ıas limpias, se construy´o un sistema de disco concentrador, el cual, se basa, en una estructura parab´olica, capaz de concentrar la radiaci´ on solar en un solo punto focal. Su construcci´on es guiada por un sistema de relaciones matem´aticas que permiten obtener dimensiones exactas con el fin de lograr alimentar una m´aquina con fuente cal´ orica. • Se debi´ o realizar un esquema basado en alguno de los prototipos que obedecen a ese tipo de motores (alfa, beta o gamma), realizando un presupuesto entre complejidad y desempe˜ no, el cual, presenta el mayor volumen muerto entre las tres posibilidades y menor potencia de salida, pero tambi´en representa un nivel de complejidad, menor. • Las condiciones de desempe˜ no de la estructura disco parab´olico y motor Stirling, se obtuvieron con lecturas realizadas por sensores de la tarjeta Arduino, realizando lecturas, tanto de temperatura, como de velocidad. • Se obtuvo una eficiencia del ciclo termodin´amico relativamente alto para este tipo de implementaciones. • Se realiz´ o un sistema basado en la implementaci´on acad´emica, por esa raz´ on, los niveles de energ´ıa son bajoscm.

3.3. Conclusiones y Recomendaciones

3.3.2

37

Recomendaciones

• Estudiar muy bien los sensores y las implementaciones a utilizar con la tarjeta Arduino. • En la implementaci´on del motor Stirling, asegurarse que las etapas sean termodin´ amicas, ya que, ah´ı remite su eficacia. • Se deben tomar en cuenta algunas condiciones para el ´optimo comportamiento de los ensambles en la interacci´on f´ısica de generaci´on de energ´ıa. Especialmente sobre el desempe˜ no del motor, ya que, este representa una etapa compleja en el objetivo de lograr un comportamiento ´optimo. • Es de suma importancia realizar un esquema gr´afico de la comunicaci´on mec´ anica entre bielas y cig¨ ue˜ nal, as´ı como, tambi´en es necesario realizar un an´ alisis entre las dimensiones tanto de carrera de desplazamiento, como de cobertura radial. • En la implementaci´on del disco parab´olico, investigar sobre el nivel de reflexi´ on de los materiales.

Bibliograf´ıa Ag¨ uero Zamora, V. R. (2006). Dise˜ no y contrucci´on de un motor stirling para la generaci´ on de energ´ıa el´ectrica. Reporte t´ecnico, Universidad Nacional de Ingenier´ıa. Facultad de Ingenier´ıa Mec´anica. Escudero, P. (2006). Estudio te´orico y de viabilidad de la radiaci´on solar concentrada en un motor stirling. Reporte t´ecnico, Universidad Plit´ecnica de Cataluya. Losada San Jos´e, J. (2009). An´alisis de un sistema de disco parab´olico para con motor stirling. Reporte t´ecnico, Universidad Carlos III de Madrid. Escuela Polit´ecnica Superior. Mar´ın, M. (2009). Propuesta para un sistema alternativo de generaci´on de energ´ıa el´ectrica. Reporte t´ecnico, Universidad de Costa Rica. Escuela de Ingenier´ıa El´ectrica. Mej´ıa, O. y Zamora, F. (2008). Dise/ no y contrucci´on de un sistema de generaci´ on de electricidad, a partir del uso de energ´ıa solar, mediante un concentrador parab´ olico de 1.8m. Reporte t´ecnico, Escuela Polit´ecnica del Ej´ercito. Carrera de Ingenier´ıa Mec´anica. P´erez S´ aez, R. (2004). Densidad de algunas sustancias comunes a 1 atm. Reporte t´ecnico, Universidad del Pa´ıs Vasco. Facultad de Ciencia y Tecnolog´ıa. Termodin´ amica., L. (2011). Motor stirling. Reporte t´ecnico, Universidad Cat´ olica de Chile. Facultad de F´ısica. Vel´ azquez, N., Sauceda, D., y Beltr´an, R. (2012). An´alisis y dise˜ no de un sustema de generaci´ on el´ectrica termosolar con concentrador de disco parab´ olico y motor stirling de 2.7 kw enfriado por aire. Ingenier´ıa, investigaci´ on y tecnolog´ıa, 13(1):43–53. Vidal, W. (2008). Dise/ no de un motor stirling tipo gamma de baja diferencia de temperatura. Reporte t´ecnico, Universidad de Chile. Wright, J. (2008). C´ alculo y mapeo de la radiaci´on solar directa y difusiva en costa rica. Reporte t´ecnico, Universidad Nacional, Departamento de F´ısica. 39

40

Bibliograf´ıa

Z´ un ˜iga, G. (2014). Uiso de di´ oxido de titanio para generar propiedades antibacterianas en los esmaltes. Reporte t´ecnico, Universidad de Cuenca. Facultad de Ciencias Qu´ımicas.

4

Anexos

41

42

Hoja de fabricante. TMP36GZ

Low Voltage Temperature Sensors TMP35/TMP36/TMP37

APPLICATIONS Environmental control systems Thermal protection Industrial process control Fire alarms Power system monitors CPU thermal management

GENERAL DESCRIPTION The TMP35/TMP36/TMP37 are low voltage, precision centigrade temperature sensors. They provide a voltage output that is linearly proportional to the Celsius (centigrade) temperature. The TMP35/ TMP36/TMP37 do not require any external calibration to provide typical accuracies of ±1°C at +25°C and ±2°C over the −40°C to +125°C temperature range. The low output impedance of the TMP35/TMP36/TMP37 and its linear output and precise calibration simplify interfacing to temperature control circuitry and ADCs. All three devices are intended for single-supply operation from 2.7 V to 5.5 V maximum. The supply current runs well below 50 μA, providing very low self-heating—less than 0.1°C in still air. In addition, a shutdown function is provided to cut the supply current to less than 0.5 μA. The TMP35 is functionally compatible with the LM35/LM45 and provides a 250 mV output at 25°C. The TMP35 reads temperatures from 10°C to 125°C. The TMP36 is specified from −40°C to +125°C, provides a 750 mV output at 25°C, and operates to 125°C from a single 2.7 V supply. The TMP36 is functionally compatible with the LM50. Both the TMP35 and TMP36 have an output scale factor of 10 mV/°C.

FUNCTIONAL BLOCK DIAGRAM +VS (2.7V TO 5.5V)

TMP35/ TMP36/ TMP37

VOUT

00337-001

SHUTDOWN

Figure 1.

PIN CONFIGURATIONS VOUT

1

+VS

2

NC

5 GND TOP VIEW (Not to Scale)

3

4 SHUTDOWN

NC = NO CONNECT

00337-002

Low voltage operation (2.7 V to 5.5 V) Calibrated directly in °C 10 mV/°C scale factor (20 mV/°C on TMP37) ±2°C accuracy over temperature (typ) ±0.5°C linearity (typ) Stable with large capacitive loads Specified −40°C to +125°C, operation to +150°C Less than 50 μA quiescent current Shutdown current 0.5 μA max Low self-heating Qualified for automotive applications

Figure 2. RJ-5 (SOT-23) 8 +VS

VOUT 1

7 NC TOP VIEW NC 3 (Not to Scale) 6 NC NC 2

5 SHUTDOWN

GND 4

NC = NO CONNECT

00337-003

FEATURES

Figure 3. R-8 (SOIC_N) 1

2

3

BOTTOM VIEW (Not to Scale)

PIN 1, +VS; PIN 2, VOUT; PIN 3, GND

00337-004

4.1

4 Anexos

Figure 4. T-3 (TO-92)

The TMP37 is intended for applications over the range of 5°C to 100°C and provides an output scale factor of 20 mV/°C. The TMP37 provides a 500 mV output at 25°C. Operation extends to 150°C with reduced accuracy for all devices when operating from a 5 V supply. The TMP35/TMP36/TMP37 are available in low cost 3-lead TO-92, 8-lead SOIC_N, and 5-lead SOT-23 surface-mount packages.

Rev. F Information furnished by Analog Devices is believed to be accurate and reliable. However, no responsibility is assumed by Analog Devices for its use, nor for any infringements of patents or other rights of third parties that may result from its use. Specifications subject to change without notice. No license is granted by implication or otherwise under any patent or patent rights of Analog Devices. Trademarks and registered trademarks are the property of their respective owners.

One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. Tel: 781.329.4700 www.analog.com Fax: 781.461.3113 ©1996–2010 Analog Devices, Inc. All rights reserved.

4.1. Hoja de fabricante. TMP36GZ

43

TMP35/TMP36/TMP37 TABLE OF CONTENTS Features .............................................................................................. 1 

Basic Temperature Sensor Connections.................................. 10 

Applications....................................................................................... 1 

Fahrenheit Thermometers ........................................................ 10 

General Description ......................................................................... 1 

Average and Differential Temperature Measurement ........... 12 

Functional Block Diagram .............................................................. 1 

Microprocessor Interrupt Generator....................................... 13 

Pin Configurations ........................................................................... 1  Revision History ............................................................................... 2 

Thermocouple Signal Conditioning with Cold-Junction Compensation............................................................................. 14 

Specifications..................................................................................... 3 

Using TMP3x Sensors in Remote Locations .......................... 15 

Absolute Maximum Ratings............................................................ 4 

Temperature to 4–20 mA Loop Transmitter .......................... 15 

Thermal Resistance ...................................................................... 4 

Temperature-to-Frequency Converter .................................... 16 

ESD Caution.................................................................................. 4 

Driving Long Cables or Heavy Capacitive Loads .................. 17 

Typical Performance Characteristics ............................................. 5 

Commentary on Long-Term Stability ..................................... 17 

Functional Description .................................................................... 8 

Outline Dimensions ....................................................................... 18 

Applications Information ................................................................ 9 

Ordering Guide .......................................................................... 19 

Shutdown Operation.................................................................... 9 

Automotive Products ................................................................. 20 

Mounting Considerations ........................................................... 9  Thermal Environment Effects .................................................... 9 

REVISION HISTORY 11/10—Rev. E to Rev. F

10/02—Rev. B to Rev. C

Changes to Features.......................................................................... 1 Updated Outline Dimensions ....................................................... 18 Changes to Ordering Guide .......................................................... 19 Added Automotive Products Section .......................................... 20

Changes to Specifications.................................................................3 Deleted Text from Commentary on Long-Term Stability Section.............................................................................................. 13 Updated Outline Dimensions....................................................... 14

8/08—Rev. D to Rev. E

9/01—Rev. A to Rev. B

Updated Outline Dimensions ....................................................... 18 Changes to Ordering Guide .......................................................... 19

Edits to Specifications .......................................................................2 Addition of New Figure 1 .................................................................2 Deletion of Wafer Test Limits Section ............................................3

3/05—Rev. C to Rev. D Updated Format..................................................................Universal Changes to Specifications ................................................................ 3 Additions to Absolute Maximum Ratings..................................... 4 Updated Outline Dimensions ....................................................... 18 Changes to Ordering Guide .......................................................... 19

6/97—Rev. 0 to Rev. A 3/96—Revision 0: Initial Version

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44

4 Anexos

TMP35/TMP36/TMP37 SPECIFICATIONS VS = 2.7 V to 5.5 V, −40°C ≤ TA ≤ +125°C, unless otherwise noted. Table 1. Parameter 1 ACCURACY TMP35/TMP36/TMP37 (F Grade) TMP35/TMP36/TMP37 (G Grade) TMP35/TMP36/TMP37 (F Grade) TMP35/TMP36/TMP37 (G Grade) Scale Factor, TMP35 Scale Factor, TMP36 Scale Factor, TMP37

Symbol

Load Regulation

Power Supply Rejection Ratio Linearity Long-Term Stability SHUTDOWN Logic High Input Voltage Logic Low Input Voltage OUTPUT TMP35 Output Voltage TMP36 Output Voltage TMP37 Output Voltage Output Voltage Range Output Load Current Short-Circuit Current Capacitive Load Driving Device Turn-On Time POWER SUPPLY Supply Range Supply Current Supply Current (Shutdown)

PSRR

Test Conditions/Comments

Min

TA = 25°C TA = 25°C Over rated temperature Over rated temperature 10°C ≤ TA ≤ 125°C −40°C ≤ TA ≤ +125°C 5°C ≤ TA ≤ 85°C 5°C ≤ TA ≤ 100°C 3.0 V ≤ VS ≤ 5.5 V 0 μA ≤ IL ≤ 50 μA −40°C ≤ TA ≤ +105°C −105°C ≤ TA ≤ +125°C TA = 25°C 3.0 V ≤ VS ≤ 5.5 V TA = 150°C for 1 kHz

VIH VIL

VS = 2.7 V VS = 5.5 V

VS ISY (ON) ISY (OFF)

Max

Unit

±1 ±1 ±2 ±2 10 10 20 20

±2 ±3 ±3 ±4

°C °C °C °C mV/°C mV/°C mV/°C mV/°C

6 25 30 50 0.5 0.4

20 60 100

m°C/μA m°C/μA m°C/V m°C/V °C °C

1.8 400

TA = 25°C TA = 25°C TA = 25°C IL ISC CL

Typ

250 750 500

10000 0.5

1

mV mV mV mV μA μA pF ms

0.01

5.5 50 0.5

V μA μA

100 0 Note 2 No oscillations 2 Output within ±1°C, 100 kΩ||100 pF load2

1000

2000 50 250

2.7 Unloaded Unloaded

1

Does not consider errors caused by self-heating. 2 Guaranteed but not tested.

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V mV

4.1. Hoja de fabricante. TMP36GZ

45

TMP35/TMP36/TMP37 ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS Table 2. 1, 2

Parameter Supply Voltage Shutdown Pin Output Pin Operating Temperature Range Die Junction Temperature Storage Temperature Range IR Reflow Soldering Peak Temperature Time at Peak Temperature Range Ramp-Up Rate Ramp-Down Rate Time 25°C to Peak Temperature IR Reflow Soldering—Pb-Free Package Peak Temperature Time at Peak Temperature Range Ramp-Up Rate Ramp-Down Rate Time 25°C to Peak Temperature

Rating 7V GND ≤ SHUTDOWN ≤ +VS GND ≤ VOUT ≤ +VS −55°C to +150°C 175°C −65°C to +160°C 220°C (0°C/5°C) 10 sec to 20 sec 3°C/sec −6°C/sec 6 min 260°C (0°C) 20 sec to 40 sec 3°C/sec −6°C/sec 8 min

Stresses above those listed under Absolute Maximum Ratings may cause permanent damage to the device. This is a stress rating only; functional operation of the device at these or any other conditions above those indicated in the operational section of this specification is not implied. Exposure to absolute maximum rating conditions for extended periods may affect device reliability.

THERMAL RESISTANCE θJA is specified for the worst-case conditions, that is, a device in socket. Table 3. Thermal Resistance Package Type TO-92 (T-3) SOIC_N (R-8) SOT-23 (RJ-5)

ESD CAUTION

1

Digital inputs are protected; however, permanent damage can occur on unprotected units from high energy electrostatic fields. Keep units in conductive foam or packaging at all times until ready to use. Use proper antistatic handling procedures. 2 Remove power before inserting or removing units from their sockets.

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θJA 162 158 300

θJC 120 43 180

Unit °C/W °C/W °C/W

46

4 Anexos

TMP35/TMP36/TMP37 TYPICAL PERFORMANCE CHARACTERISTICS 0.4

30

20

10

0

50 TEMPERATURE (°C)

100

0.2

0.1

0 –50

150

1.4 b

1.2 1.0 0.8

a

0.6

00337-007

0.4 0.2 0 –50

–25

75

100

125

31.600

c

0

25 50 TEMPERATURE (°C)

75

100

POWER SUPPLY REJECTION (°C/V)

OUTPUT VOLTAGE (V)

1.6

25 50 TEMPERATURE (°C)

100.000

a. TMP35 b. TMP36 c. TMP37 +VS = 3V

1.8

0

Figure 8. Power Supply Rejection vs. Temperature

Figure 5. Load Regulation vs. Temperature (m°C/μA)

2.0

–25

10.000 3.160 1.000 0.320 0.100 0.032

00337-010

0 –50

+VS = 3V TO 5.5V, NO LOAD 0.3

00337-009

POWER SUPPLY REJECTION (°C/V)

40

00337-005

LOAD REGULATION (m°C/µA)

50

0.010 20

125

100

1k FREQUENCY (Hz)

10k

100k

Figure 9. Power Supply Rejection vs. Frequency

Figure 6. Output Voltage vs. Temperature

5

5

4 MINIMUM SUPPLY VOLTAGE (V)

a. MAXIMUM LIMIT (G GRADE) b. TYPICAL ACCURACY ERROR c. MINIMUM LIMIT (G GRADE)

1 0 –1 b

–2 –3 –4 –5

c 0

20

40

60 80 100 TEMPERATURE (°C)

120

MINIMUM SUPPLY VOLTAGE REQUIRED TO MEET DATA SHEET SPECIFICATION

4

NO LOAD 3 b 2

a

1 a. TMP35/TMP36 b. TMP37 0 –50

140

–25

0

25 50 TEMPERATURE (°C)

00337-011

a

2

00337-008

ACCURACY ERROR (°C)

3

75

100

Figure 10. Minimum Supply Voltage vs. Temperature

Figure 7. Accuracy Error vs. Temperature

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125

4.1. Hoja de fabricante. TMP36GZ

47

TMP35/TMP36/TMP37 60

400 a. +VS = 5V b. +VS = 3V 300

NO LOAD

RESPONSE TIME (µs)

40 a 30

00337-012

10 –50

–25

0

25 50 TEMPERATURE (°C)

75

200 = +VS AND SHUTDOWN PINS LOW TO HIGH (0V TO 3V) VOUT SETTLES WITHIN ±1°C 100

b

20

= +VS AND SHUTDOWN PINS HIGH TO LOW (3V TO 0V)

100

00337-015

SUPPLY CURRENT (µA)

50

0 –50

125

Figure 11. Supply Current vs. Temperature

–25

0

25 50 TEMPERATURE (°C)

75

100

125

Figure 14. VOUT Response Time for +VS Power-Up/Power-Down vs. Temperature

400

50

= SHUTDOWN PIN HIGH TO LOW (3V TO 0V)

TA = 25°C, NO LOAD 300

30

20

200

100

= SHUTDOWN PIN LOW TO HIGH (0V TO 3V) VOUT SETTLES WITHIN ±1°C

00337-013

10

0 1

2

3 4 5 SUPPLY VOLTAGE (V)

6

0 –50

8

7

75

100

125

0.8

a. +VS = 5V b. +VS = 3V

TA = 25°C +VS = 3V SHUTDOWN = SIGNAL

0.6 OUTPUT VOLTAGE (V)

NO LOAD 30

20 a 10

0.4 0.2 0 1.0 0.8 0.6

TA = 25°C +VS AND SHUTDOWN = SIGNAL

0.4 00337-014

SUPPLY CURRENT (nA)

25 50 TEMPERATURE (°C)

1.0

50

b 0 –50

0

Figure 15. VOUT Response Time for SHUTDOWN Pin vs. Temperature

Figure 12. Supply Current vs. Supply Voltage

40

–25

–25

0

25 50 TEMPERATURE (°C)

75

100

0.2 0

125

Figure 13. Supply Current vs. Temperature (Shutdown = 0 V)

00337-017

0

00337-016

RESPONSE TIME (µs)

SUPPLY CURRENT (μA)

40

–50

0

50

100

150 200 250 TIME (µs)

300

350

400

450

Figure 16. VOUT Response Time to SHUTDOWN Pin and +VS Pin vs. Time

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48

4 Anexos

TMP35/TMP36/TMP37 110

a

10mV

100 90 b

90

VOLT/DIVISION

70 60 50 40

a. TMP35 SOIC SOLDERED TO 0.5" × 0.3" Cu PCB b. TMP36 SOIC SOLDERED TO 0.6" × 0.4" Cu PCB c. TMP35 TO-92 IN SOCKET SOLDERED TO 1" × 0.4" Cu PCB

10 0%

00337-034

20 10 0

00337-019

30

100

0

200

300 TIME (s)

400

500

TIME/DIVISION

600

Figure 17. Thermal Response Time in Still Air

Figure 20. Temperature Sensor Wideband Output Noise Voltage; Gain = 100, BW = 157 kHz

140

2400

a. TMP35 SOIC SOLDERED TO 0.5" × 0.3" Cu PCB b. TMP36 SOIC SOLDERED TO 0.6" × 0.4" Cu PCB c. TMP35 TO-92 IN SOCKET SOLDERED TO 1" × 0.4" Cu PCB

2200

VOLTAGE NOISE DENSITY (nV/ Hz)

TIME CONSTANT (s)

120 100 80

+VS = 3V, 5V 60 b 40 c

0

00337-018

20 a 0

100

200

300 400 500 AIR VELOCITY (FPM)

600

b

70 60 50 40

a. TMP35 SOIC SOLDERED TO 0.5" × 0.3" Cu PCB b. TMP36 SOIC SOLDERED TO 0.6" × 0.4" Cu PCB c. TMP35 TO-92 IN SOCKET SOLDERED TO 1" × 0.4" Cu PCB

30 20

00337-035

CHANGE (%)

+VS = 3V, 5V

c

10 0

0

10

20

30 TIME (s)

40

50

1400 1200 1000 800 600

a

400

a. TMP35/TMP36 b. TMP37

10

100 1k FREQUENCY (Hz)

Figure 21. Voltage Noise Spectral Density vs. Frequency

a

80

1600

0

100 90

b

1800

200

700

Figure 18. Thermal Response Time Constant in Forced Air

110

2000

60

Figure 19. Thermal Response Time in Stirred Oil Bath

Rev. F | Page 7 of 20

00337-020

CHANGE (%)

80

1ms

100

+VS = 3V, 5V

c

10k

4.1. Hoja de fabricante. TMP36GZ

49

TMP35/TMP36/TMP37 FUNCTIONAL DESCRIPTION An equivalent circuit for the TMP3x family of micropower, centigrade temperature sensors is shown in Figure 22. The core of the temperature sensor is a band gap core that comprises transistors Q1 and Q2, biased by Q3 to approximately 8 μA. The band gap core operates both Q1 and Q2 at the same collector current level; however, because the emitter area of Q1 is 10 times that of Q2, the VBE of Q1 and the VBE of Q2 are not equal by the following relationship:

25µA

3X

Q2 1X

Q4

⎛ AE,Q1 ⎞ ⎟ = VT × ln⎜ ⎜ AE,Q2 ⎟ ⎝ ⎠

2X

R1 Q1 10X R3

Resistors R1 and R2 are used to scale this result to produce the output voltage transfer characteristic of each temperature sensor and, simultaneously, R2 and R3 are used to scale the VBE of Q1 as an offset term in VOUT. Table 4 summarizes the differences in the output characteristics of the three temperature sensors. The output voltage of the temperature sensor is available at the emitter of Q4, which buffers the band gap core and provides load current drive. The current gain of Q4, working with the available base current drive from the previous stage, sets the short-circuit current limit of these devices to 250 μA.

R2

VOUT 7.5µA Q3

2X

6X GND

00337-006

ΔVBE

+VS SHUTDOWN

Figure 22. Temperature Sensor Simplified Equivalent Circuit

Table 4. TMP3x Output Characteristics Sensor TMP35 TMP36 TMP37

Rev. F | Page 8 of 20

Offset Voltage (V) 0 0.5 0

Output Voltage Scaling (mV/°C) 10 10 20

Output Voltage @ 25°C (mV) 250 750 500

50

4 Anexos

TMP35/TMP36/TMP37 APPLICATIONS INFORMATION SHUTDOWN OPERATION

THERMAL ENVIRONMENT EFFECTS

All TMP3x devices include a shutdown capability, which reduces the power supply drain to less than 0.5 μA maximum. This feature, available only in the SOIC_N and the SOT-23 packages, is TTL/CMOS level-compatible, provided that the temperature sensor supply voltage is equal in magnitude to the logic supply voltage. Internal to the TMP3x at the SHUTDOWN pin, a pull-up current source to +VS is connected. This allows the SHUTDOWN pin to be driven from an open-collector/drain driver. A logic low, or zero-volt condition, on the SHUTDOWN pin is required to turn off the output stage. During shutdown, the output of the temperature sensors becomes high impedance where the potential of the output pin is then determined by external circuitry. If the shutdown feature is not used, it is recommended that the SHUTDOWN pin be connected to +VS (Pin 8 on the SOIC_N; Pin 2 on the SOT-23).

The thermal environment in which the TMP3x sensors are used determines two important characteristics: self-heating effects and thermal response time. Figure 23 illustrates a thermal model of the TMP3x temperature sensors, which is useful in understanding these characteristics.

The shutdown response time of these temperature sensors is shown in Figure 14, Figure 15, and Figure 16.

MOUNTING CONSIDERATIONS If the TMP3x temperature sensors are thermally attached and protected, they can be used in any temperature measurement application where the maximum temperature range of the medium is between −40°C and +125°C. Properly cemented or glued to the surface of the medium, these sensors are within 0.01°C of the surface temperature. Caution should be exercised, especially with T-3 packages, because the leads and any wiring to the device can act as heat pipes, introducing errors if the surrounding air-surface interface is not isothermal. Avoiding this condition is easily achieved by dabbing the leads of the temperature sensor and the hookup wires with a bead of thermally conductive epoxy. This ensures that the TMP3x die temperature is not affected by the surrounding air temperature. Because plastic IC packaging technology is used, excessive mechanical stress should be avoided when fastening the device with a clamp or a screw-on heat tab. Thermally conductive epoxy or glue, which must be electrically nonconductive, is recommended under typical mounting conditions. These temperature sensors, as well as any associated circuitry, should be kept insulated and dry to avoid leakage and corrosion. In wet or corrosive environments, any electrically isolated metal or ceramic well can be used to shield the temperature sensors. Condensation at very cold temperatures can cause errors and should be avoided by sealing the device, using electrically nonconductive epoxy paints or dip or any one of the many printed circuit board coatings and varnishes.

TJ

CCH

TC

CC

θCA

TA 00337-021

PD

θJC

Figure 23. Thermal Circuit Model

In the T-3 package, the thermal resistance junction-to-case, θJC, is 120°C/W. The thermal resistance case-to-ambient, CA, is the difference between θJA and θJC, and is determined by the characteristics of the thermal connection. The power dissipation of the temperature sensor, PD, is the product of the total voltage across the device and its total supply current, including any current delivered to the load. The rise in die temperature above the ambient temperature of the medium is given by TJ = PD × (θJC + θCA) + TA Thus, the die temperature rise of a TMP35 SOT-23 package mounted into a socket in still air at 25°C and driven from a 5 V supply is less than 0.04°C. The transient response of the TMP3x sensors to a step change in the temperature is determined by the thermal resistances and the thermal capacities of the die, CCH, and the case, CC. The thermal capacity of CC varies with the measurement medium because it includes anything in direct contact with the package. In all practical cases, the thermal capacity of CC is the limiting factor in the thermal response time of the sensor and can be represented by a single-pole RC time constant response. Figure 17 and Figure 19 show the thermal response time of the TMP3x sensors under various conditions. The thermal time constant of a temperature sensor is defined as the time required for the sensor to reach 63.2% of the final value for a step change in the temperature. For example, the thermal time constant of a TMP35 SOIC package sensor mounted onto a 0.5" × 0.3" PCB is less than 50 sec in air, whereas in a stirred oil bath, the time constant is less than 3 sec.

Rev. F | Page 9 of 20

4.1. Hoja de fabricante. TMP36GZ

51

TMP35/TMP36/TMP37 BASIC TEMPERATURE SENSOR CONNECTIONS

FAHRENHEIT THERMOMETERS

Figure 24 illustrates the basic circuit configuration for the TMP3x family of temperature sensors. The table in Figure 24 shows the pin assignments of the temperature sensors for the three package types. For the SOT-23, Pin 3 is labeled NC, as are Pin 2, Pin 3, Pin 6, and Pin 7 on the SOIC_N package. It is recommended that no electrical connections be made to these pins. If the shutdown feature is not needed on the SOT-23 or on the SOIC_N package, the SHUTDOWN pin should be connected to +VS.

Although the TMP3x temperature sensors are centigrade temperature sensors, a few components can be used to convert the output voltage and transfer characteristics to directly read Fahrenheit temperatures. Figure 25 shows an example of a simple Fahrenheit thermometer using either the TMP35 or the TMP37. Using the TMP35, this circuit can be used to sense temperatures from 41°F to 257°F with an output transfer characteristic of 1 mV/°F; using the TMP37, this circuit can be used to sense temperatures from 41°F to 212°F with an output transfer characteristic of 2 mV/°F. This particular approach does not lend itself to the TMP36 because of its inherent 0.5 V output offset. The circuit is constructed with an AD589, a 1.23 V voltage reference, and four resistors whose values for each sensor are shown in the table in Figure 25. The scaling of the output resistance levels ensures minimum output loading on the temperature sensors. A generalized expression for the transfer equation of the circuit is given by

2.7V < +VS < 5.5V 0.1µF

+VS VOUT

GND

⎛ R1 ⎞ ⎛ ⎞ ⎟(TMP35 ) + ⎜ R3 ⎟( AD589 ) VOUT = ⎜ ⎜ R1 + R2 ⎟ ⎜ R3 + R4 ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

PIN ASSIGNMENTS +VS

GND

VOUT

SOIC_N

8

4

1

5

SOT-23 TO-92

2 1

5 3

1 2

4 NA

SHUTDOWN 00337-022

PACKAGE

Figure 24. Basic Temperature Sensor Circuit Configuration

Note the 0.1 μF bypass capacitor on the input. This capacitor should be a ceramic type, have very short leads (surface-mount is preferable), and be located as close as possible in physical proximity to the temperature sensor supply pin. Because these temperature sensors operate on very little supply current and may be exposed to very hostile electrical environments, it is important to minimize the effects of radio frequency interference (RFI) on these devices. The effect of RFI on these temperature sensors specifically and on analog ICs in general is manifested as abnormal dc shifts in the output voltage due to the rectification of the high frequency ambient noise by the IC. When the devices are operated in the presence of high frequency radiated or conducted noise, a large value tantalum capacitor (±2.2 μF) placed across the 0.1 μF ceramic capacitor may offer additional noise immunity.

where: TMP35 is the output voltage of the TMP35 or the TMP37 at the measurement temperature, TM. AD589 is the output voltage of the reference, that is, 1.23 V. The output voltage of this circuit is not referenced to the circuit’s common ground. If this output voltage were applied directly to the input of an ADC, the ADC common ground should be adjusted accordingly. +VS 0.1µF +VS

TMP35/ TMP37

VOUT R1

GND

+ R2 VOUT

AD589 1.23V

R3 – R4

SENSOR

TCVOUT R1 (kΩ) R2 (kΩ) R3 (kΩ) R4 (kΩ)

TMP35 TMP37

1mV/°F 2mV/°F

45.3 45.3

10 10

10 10

374 182

Figure 25. TMP35/TMP37 Fahrenheit Thermometers

Rev. F | Page 10 of 20

00337-023

TMP3x

SHUTDOWN

52

4 Anexos

TMP35/TMP36/TMP37 At the expense of additional circuitry, the offset produced by the circuit in Figure 26 can be avoided by using the circuit in Figure 27. In this circuit, the output of the TMP36 is conditioned by a single-supply, micropower op amp, the OP193. Although the entire circuit operates from a single 3 V supply, the output voltage of the circuit reads the temperature directly, with a transfer characteristic of 1 mV/°F, without offset. This is accomplished through an ADM660, which is a supply voltage inverter. The 3 V supply is inverted and applied to the V− terminal of the OP193. Thus, for a temperature range between −40°F and +257°F, the output of the circuit reads −40 mV to +257 mV. A general expression for the transfer equation of the circuit is given by

The same circuit principles can be applied to the TMP36, but because of the inherent offset of the TMP36, the circuit uses only two resistors, as shown in Figure 26. In this circuit, the output voltage transfer characteristic is 1 mV/°F but is referenced to the common ground of the circuit; however, there is a 58 mV (58°F) offset in the output voltage. For example, the output voltage of the circuit reads 18 mV if the TMP36 is placed in a −40°F ambient environment and 315 mV at +257°F. +VS +VS VOUT

⎛ R6 ⎞ ⎛ ⎞ ⎟ ⎜1 + R4 ⎟(TMP36 ) − ⎛⎜ R4 ⎞⎟⎛⎜ VS ⎞⎟ VOUT = ⎜ ⎜ R5 + R6 ⎟ ⎜ R3 ⎟⎠ ⎝ R3 ⎠⎝ 2 ⎠ ⎝ ⎠⎝

R1 45.3kΩ

GND

R2 10kΩ

VOUT @ 1mV/°F – 58°F

00337-024

TMP36

0.1µF

VOUT @ –40°F = 18mV VOUT @ +257°F = 315mV

Figure 26. TMP36 Fahrenheit Thermometer Version 1 +3V

R1 50kΩ

R3

R4

C1 + 10µF

R2 50kΩ

0.1µF 7 2

+VS +

VOUT

TMP36

R5

3

6

VOUT @ 1mV/°F –40°F ≤ TA ≤ +257°F

4

R6 GND

OP193 +

8

NC ELEMENT

VALUE

R3

258.6kΩ

R4

10kΩ

R5

47.7kΩ

R6

10kΩ

1

5

2 10µF

ADM660

+

6

–3V +

10µF

4 3

7

NC 00337-025

10µF/0.1µF

–

Figure 27. TMP36 Fahrenheit Thermometer Version 2

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4.1. Hoja de fabricante. TMP36GZ

53

TMP35/TMP36/TMP37 2.7V < +VS < 5.5V

AVERAGE AND DIFFERENTIAL TEMPERATURE MEASUREMENT

0.1µF

In Figure 28, an OP193 sums the outputs of three temperature sensors to produce an output voltage scaled by 10 mV/°C that represents the average temperature at three locations. The circuit can be extended to include as many temperature sensors as required as long as the transfer equation of the circuit is maintained. In this application, it is recommended that one temperature sensor type be used throughout the circuit; otherwise, the output voltage of the circuit cannot produce an accurate reading of the various ambient conditions. The circuit in Figure 29 illustrates how a pair of TMP3x sensors used with an OP193 configured as a difference amplifier can read the difference in temperature between two locations. In these applications, it is always possible that one temperature sensor is reading a temperature below that of the other sensor. To accommodate this condition, the output of the OP193 is offset to a voltage at one-half the supply via R5 and R6. Thus, the output voltage of the circuit is measured relative to this point, as shown in Figure 29. Using the TMP36, the output voltage of the circuit is scaled by 10 mV/°C. To minimize the error in the difference between the two measured temperatures, a common, readily available thin-film resistor network is used for R1 to R4.

2 3

TMP3x

TMP3x

VTEMP(AVG) @ 10mV/°C FOR TMP35/TMP36 @ 20mV/°C FOR TMP37

7 –

OP193 +

6

4

R5 100kΩ

R1 300kΩ

R6 7.5kΩ

R2 300kΩ

FOR R1 = R2 = R3 = R;

TMP3x

R3 300kΩ R4 7.5kΩ

VTEMP(AVG) = 1 (TMP3x1 + TMP3x2 + TMP3x3) 3 R5 = R1 3 R4 = R6 00337-026

In many commercial and industrial environments, temperature sensors often measure the average temperature in a building, or the difference in temperature between two locations on a factory floor or in an industrial process. The circuits in Figure 28 and Figure 29 demonstrate an inexpensive approach to average and differential temperature measurement.

Figure 28. Configuring Multiple Sensors for Average Temperature Measurements 2.7V < +VS < 5.5V

0.1µF

TMP36 @ T1

R11

R21

R8 25kΩ

0.1µF 7 2

0.1µF

TMP36

R31

–

OP193 3

@ T2

+

6

VOUT

4 R7 100kΩ

R9 25kΩ CENTERED AT

0°C ≤ TA ≤ 125°C

R5 100kΩ

1µF

R6 100kΩ

VOUT = T2 – T1 @ 10mV/°C VS CENTERED AT 2

NOTE: 1 R1–R4, CADDOCK T914–100k–100, OR EQUIVALENT.

Figure 29. Configuring Multiple Sensors for Differential Temperature Measurements

Rev. F | Page 12 of 20

00337-027

R41

54

4 Anexos

TMP35/TMP36/TMP37 Because temperature is a slowly moving quantity, the possibility for comparator chatter exists. To avoid this condition, hysteresis is used around the comparator. In this application, a hysteresis of 5°C about the trip point was arbitrarily chosen; the ultimate value for hysteresis should be determined by the end application. The output logic voltage swing of the comparator with R1 and R2 determines the amount of comparator hysteresis. Using a 3.3 V supply, the output logic voltage swing of the CMP402 is 2.6 V; therefore, for a hysteresis of 5°C (50 mV @ 10 mV/°C), R1 is set to 20 kΩ, and R2 is set to 1 MΩ. An expression for the hysteresis of this circuit is given by

MICROPROCESSOR INTERRUPT GENERATOR These inexpensive temperature sensors can be used with a voltage reference and an analog comparator to configure an interrupt generator for microprocessor applications. With the popularity of fast microprocessors, the need to indicate a microprocessor overtemperature condition has grown tremendously. The circuit in Figure 30 demonstrates one way to generate an interrupt using a TMP35, a CMP402 analog comparator, and a REF191, a 2 V precision voltage reference. The circuit is designed to produce a logic high interrupt signal if the microprocessor temperature exceeds 80°C. This 80°C trip point was arbitrarily chosen (final value set by the microprocessor thermal reference design) and is set using an R3 to R4 voltage divider of the REF191 output voltage. Because the output of the TMP35 is scaled by 10 mV/°C, the voltage at the inverting terminal of the CMP402 is set to 0.8 V.

(

R1 ⎞ VHYS = ⎛⎜ ⎟ VLOGIC SWING, CMP402 ⎝ R2 ⎠

)

Because this circuit is probably used in close proximity to high speed digital circuits, R1 is split into equal values and a 1000 pF capacitor is used to form a low-pass filter on the output of the TMP35. Furthermore, to prevent high frequency noise from contaminating the comparator trip point, a 0.1 μF capacitor is used across R4.

3.3V R2 1MΩ +VS

TMP35

6

CL 1000pF

R5 100kΩ

GND

3

R1B 10kΩ

5

4

–

CMP402 +

2

INTERRUPT

14

0.1µF 13

2

3

REF191

R3 16kΩ

6 +

4

1µF

>80°C