Este circuito transforma um LM35 (sensor de temperatura já calibrado de fábrica) num termômetro de ponteiro de 0 a 100 °C, ligado num galvanômetro de 100 µA, com um borne extra para você ler o mesmo valor num multímetro comum (1 mV = 0,1 °C). Serve para vigiar dissipador, chocadeira ou caixa de bateria sem microcontrolador. Nível: iniciante — oito componentes e um único ajuste.

O circuito não é invenção nossa: é a Figura 22, “Centigrade Thermometer (Analog Meter)”, página 17 do datasheet SNIS159H (revisão de dezembro de 2017) da Texas Instruments, fabricante do LM35, com o capacitor de desacoplamento que a seção 9 (página 19) recomenda e o amortecedor R-C da Figura 13 (página 14). A figura da TI não traz valores: os daqui foram calculados e conferidos no ngspice.

Conteúdo da Página

O que você vai precisar

Ref. Componente Valor Especificação Qtd.
U1 Sensor de temperatura LM35DZ TO-92, faixa 0 a 100 °C (LM35CZ também serve) 1
D1 Diodo retificador 1N4007 1 A, DO-41 (contra bateria invertida) 1
C1 Capacitor cerâmico 100 nF 50 V 1
R1 Resistor de filme metálico 6,8 kΩ 1/4 W, 1% 1
RV1 Trimpot multivoltas 5 kΩ tipo 3296W (código 502) 1
R2 Resistor de filme 75 Ω 1/4 W, 5% 1
C2 Capacitor de poliéster 1 µF 63 V, passo 5 mm, sem polaridade 1
M1 Galvanômetro (microamperímetro de painel) 100 µA fundo de escala 100 µA, escala 0–100 1
J1, J2, J3 Borne de parafuso 2 vias passo 5,08 mm 3
— Bateria 9 V + clipe + chave liga/desliga — a chave fica fora da placa, em série com o J1 1
Sensor de temperatura LM35DZ em encapsulamento TO-92, visto de frente com as três pernas para baixo
O LM35DZ em TO-92. Com a face chata virada para você e as pernas para baixo, a ordem é +VS, VOUT, GND da esquerda para a direita. Foto: Nevit Dilmen, Wikimedia Commons, licença CC BY-SA 3.0 (redimensionada).

Como funciona

O sensor (U1). O LM35 entrega na saída uma tensão proporcional à temperatura em graus Celsius, sem constante para subtrair — a equação 1 da página 13 é só VOUT = 10 mV/°C × T. A 25 °C saem 250 mV; a 100 °C, 1,000 V. Consome 56 µA, funciona de 4 a 30 V (página 4) e, no LM35D, erra tipicamente ±0,6 °C a 25 °C, com ±1,5 °C garantidos (tabela 6.7, página 8).

O instrumento: um voltímetro de 1 V feito com o galvanômetro. Um galvanômetro de 100 µA com um resistor em série vira um voltímetro: I = VOUT / (R1 + RV1 + Rbobina). Para 1,000 V (100 °C) dar exatamente 100 µA, a soma tem de ser 10 kΩ. Com R1 = 6,8 kΩ e RV1 de 5 kΩ, o ajuste cobre bobinas de 0 a 3,2 kΩ. Com bobina de 1 kΩ, o RV1 fica em 2,2 kΩ. A escala 0–100 passa a ler graus Celsius direto.

As proteções. O D1 impede que a bateria invertida chegue ao LM35, que só aceita −0,2 V no pino de alimentação (máximos absolutos, página 4); com 0,1 mA ele derruba só 0,46 V. O C1 de 100 nF é o desacoplamento que a seção 9 recomenda. O R2 + C2 (75 Ω + 1 µF) é o amortecedor da Figura 13: o LM35 só aguenta 50 pF na saída sem cuidado especial (seção 8.1.1), e os fios até o galvanômetro e o multímetro já são capacitância.

Esquema do termômetro analógico com LM35: bateria de 9 V, diodo 1N4007, capacitor de 100 nF, LM35DZ, amortecedor de 75 ohms e 1 microfarad, resistor de 6,8 k, trimpot de 5 k e galvanômetro de 100 microampères
Esquema redesenhado conforme a Figura 22 do datasheet SNIS159H da Texas Instruments, com o C1 da seção 9 e o amortecedor R2/C2 da Figura 13 do mesmo documento.

O detalhe que decide o galvanômetro: autoaquecimento

A corrente do ponteiro sai de dentro do LM35 e o esquenta. A potência dissipada é P = VS × Iq + (VS − VOUT) × Icarga, e a elevação de temperatura é P vezes a resistência térmica — 140 °C/W para o TO-92 soldado em placa, 180 °C/W solto no ar (Tabela 2, página 19). Com o galvanômetro de 100 µA, o erro fica em 0,10 °C a 25 °C e 0,21 °C a 100 °C, abaixo da exatidão do próprio sensor. Com um instrumento de 1 mA, o mesmo circuito erra 1,15 °C a 100 °C, mais que a exatidão típica do LM35D. Por isso a lista pede 100 µA.

Gráfico do erro por autoaquecimento do LM35 em função da temperatura para galvanômetros de 100 µA, 200 µA, 500 µA e 1 mA
Erro por autoaquecimento calculado com as tensões e correntes da simulação e a resistência térmica da Tabela 2 do SNIS159H (aproximação: placa caseira não é igual à placa de teste da TI).

A placa de circuito impresso

A placa abaixo foi desenhada no KiCad a partir do mesmo esquema, com os encapsulamentos reais dos componentes da lista, em face única (60 × 42 mm), trilhas de 0,8 mm e folga de 0,4 mm. As ligações foram conferidas pino a pino contra o datasheet e o roteamento fechou com 36 trilhas, nenhuma via, nenhum jumper e nenhuma ligação pendente. O LM35 fica na borda de baixo, longe do D1 e com a face chata para fora, para medir o ar e não a placa.

Placa de circuito impresso do termômetro com LM35, vista de cima, com a serigrafia dos componentes e as trilhas de cobre da face de baixo
Vista de cima: a serigrafia com a posição de cada componente e, em azul, as trilhas de cobre da face de baixo. J1 = bateria, J2 = galvanômetro (o pad quadrado é o +), J3 = multímetro (pad quadrado = VOUT).
Lado do cobre da placa do termômetro com LM35
O lado do cobre. Para transferir, use o PDF em escala 1:1 abaixo.

Arquivos da placa:

Montagem

  1. Os baixinhos primeiro: R1, R2 e D1. No D1 a faixa prateada é o catodo e fica do lado do C1 (o “K” da serigrafia).
  2. C1 e C2 não têm polaridade.
  3. O RV1 multivoltas: comece com o parafuso no meio do curso (umas 12 voltas para um lado e conte).
  4. O LM35 por último, com a face chata virada para a borda da placa, como na serigrafia. O pad quadrado é o +VS. Solde rápido, com as pernas uns 5 mm acima da placa.
  5. Calibração: ligue a bateria e meça o J3 com o multímetro na escala de 2 V DC — 0,253 V quer dizer 25,3 °C. Gire o RV1 até o ponteiro marcar o mesmo valor. Um ponto basta: a inclinação de 10 mV/°C vem acertada de fábrica.

Para medir longe, o LM35 vai na ponta de um cabo de três vias, com R2 e C2 junto dele (Figura 13) e as pernas isoladas com epóxi ou termorretrátil (seção 10.1).

Tensões esperadas

Ponto a 25 °C a 100 °C
J1 (bateria nova) 9,00 V 9,00 V
Catodo do D1 / pino 1 do U1 (VS) 8,54 V 8,50 V
Pino 2 do U1 / J3 (VOUT) 0,250 V 1,000 V
Corrente no galvanômetro (J2) 25,0 µA 100,0 µA
Consumo total da bateria 0,081 mA 0,185 mA

Medido em simulação; na bancada aceite ±10%. Na tensão de saída, conte também a exatidão do sensor (±1,5 °C garantidos para o LM35D, ou seja, ±15 mV). Com menos de 0,2 mA, até uma bateria de 100 mAh dura mais de 500 horas.

Onde costuma dar errado

  1. LM35 invertido. A página 3 do datasheet mostra o TO-92 visto por baixo: confie na face chata, não no número dos pinos. Galvanômetro com os fios trocados faz o ponteiro bater para trás.
  2. Oscilação. Leitura que pula ou alta demais com cabo comprido é o LM35 oscilando com a capacitância do cabo. O R2/C2 resolve — não tire.
  3. Aquecimento. LM35 encostado em componente ou em caixa fechada mede a própria placa. Galvanômetro de 1 mA: erro acima de 1 °C (ver gráfico).
  4. Ruído. Perto de relé, motor de escova ou rádio, os fios viram antena e as junções do CI retificam o sinal (seção 8.1.1). Fios curtos e trançados até o galvanômetro e o C1 sempre no lugar.
  5. Alimentação. Abaixo de 4 V no pino 1, a leitura deixa de valer: com o D1, isso dá uns 4,5 V na bateria. E esta montagem básica só vale de 2 °C para cima (“minimum temperature for rate accuracy”, tabela 6.7): a saída do LM35 não desce até zero sozinha.

Variações

Circuito do fabricante, conferido em simulação. Ainda não montamos esta placa na bancada. A TI não publica modelo SPICE do LM35; usamos um modelo comportamental nosso que reproduz a tabela elétrica do SNIS159H (250,0 mV e 56 µA a 25 °C, 0,01 mV/V de regulação de linha, 0,4 mV/mA de regulação de carga) — o que a simulação confere é a rede em volta do sensor. Se você montar, mande a foto para a Saber.

Veja também

Se você quer usar esse mesmo raciocínio — tensão esperada em cada ponto — para achar defeito em placa de verdade, é disso que trata o Mapa do Reparo.