Circuito della rilevazione della temperatura, tesina

Istituto di istruzione secondaria superiore

Minerario “Giorgio Asproni –

Enrico Fermi”

Corso di elettrotecnica – elettronica

Indirizzo elettronica

Tesina di maturità

“Circuito di rivelazione della temperatura di due ambienti distinti, con impianto allarme attivo in determinate condizioni di differenza della temperatura tra gli ambienti.”

Maturando: Cabiddu Giordano

Anno scolastico 2015 - 2016

Introduzione

Scopo di questo elaborato è quello di realizzare, attraverso le conoscenze pervenute nell’ambito dei 3 anni di studio in elettronica e TPSEE, l’apparato circuitale che soddisfi le richieste del problema esposto dal docente di T.P.S.E.E. Caredda Enrico e dal docente di laboratorio Fois Fabio. In particolare il circuito dovrà essere dapprima elaborato a livello teorico, dimensionando e scegliendo i singoli componenti, e successivamente dovrà essere realizzato su circuito stampato.

L’elaborato ottenuto dovrà quindi essere cablato e fissato su una lastra in legno per garantire l’ordine complessivo del sistema stesso.

Sistemi di questo tipo vengono utilizzati all’interno di industrie di varia tipologia; ad esempio, nella produzione di componenti meccanici si deve tener conto dello shock termico subito dal pezzo quando quest’ultimo passa da un ambiente ad un altro sottoposto a una differente temperatura.

Verranno in seguito esposte argomentazioni più o meno inerenti al progetto studiato, nell’ambito delle materie di inglese, educazione fisica, sistemi e letteratura.

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Elettronica-T.P.S.E.E.

1. Testo del problema

Realizzare un apparato circuitale che soddisfi le seguenti richieste:

• Converta in segnali elettrici compresi tra 0 V e 10 V le temperature, T₁ e T₂, di due ambienti distinti, entrambe variabili tra 20 °C e 30 °C;
• Permetta di visualizzare mediante due semplici sistemi ottici, ciascuno basato sull’accensione di 5 LED, il valore delle temperature secondo il criterio esposto in tabella;
• Effettui la differenza tra i segnali associati alle due temperature, attivando uno stato di preallarme – allarme se |T₂ - T₁| > 4 °C;
• Lo stato di preallarme deve consistere nel lampeggiamento, a frequenza di circa 1 Hz, di una lampada da 3 W / 12 V e cessare se la differenza termica dovesse tornare alla normalità (cioè |T₂ - T₁| < 4 °C) o, comunque, dopo 10 s;
• Se dopo i 10 s lo stato di preallarme tendesse a rimanere, si attivi uno stato di allarme visualizzato attraverso l’accensione di una seconda lampada.

Tabella

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1. Lo schema a blocchi e il circuito elettrico

In seguito ad una attenta analisi delle richieste esposte dal problema, si è giunti allo sviluppo del seguente schema a blocchi.

Nelle pagine successive verranno dunque illustrati:

• Scopi dei blocchi all’interno dell’elaborato;
• Componenti attivi e passivi utilizzati per la realizzazione dei blocchi;
• Cenni teorici relativi ai dispositivi utilizzati.

2.1. Blocco A1: trasduttore di temperatura e condizionatore di T₁

Il blocco prevede la presenza di un trasduttore di temperatura per l’acquisizione e successiva conversione della temperatura in segnale analogico (tensione). Quest’ultimo dovrà essere opportunatamente trattato in maniera tale da soddisfare la richiesta relativa al punto primo del problema. In particolare dovrà risultare:

• Per T₁ = 20 °C → V₁ = 0 V;
• Per T₁ = 30 °C → V₁ = 10 V.

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Si ricorda infatti che la temperatura dell’ambiente può variare tra un minimo di 20 °C e un massimo di 30 °C.

2.1.1. Il trasduttore

Per l’acquisizione e successiva conversione della temperatura T₁ e T₂ si è deciso di utilizzare il trasduttore LM35Z.

Data sheet

Caratteristiche tecniche:

• Calibrato direttamente in ° Celsius (Centigradi);
• Scala lineare + 10.0 mV/°C;
• Accuratezza garantibile al 0.5 °C (a +25 °C);
• Range misurabile 0° to +100 °C;
• Basso costo;
• Opera da 4 a 30 Volt;
• Meno di 60 µA di consumo;
• Non linearità tipica soltanto ±0.25 °C.

Identificata come V_LM35Z la tensione di uscita fornita dal trasduttore di temperatura, in conseguenza della caratteristica scala lineare dell’integrato LM35Z risulta:

• Per T₁ = 20 °C → V_LM35Z = 0.2 V;
• Per T₁ = 30 °C → V_LM35Z = 0.3 V.

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Le seguenti condizioni non sono congruenti a quelle richieste dal problema. Per tal motivo, l’uscita dell’LM35Z costituirà l’ingresso di un circuito condizionatore di segnale.

2.1.2. Circuito condizionatore di segnale

Il circuito che si andrà a realizzare dovrà soddisfare le seguenti richieste:

• Per V_LM35Z = 0.2 V → V₁ = 0 V;
• Per V_LM35Z = 0.3 V → V₁ = 10 V.

A seguito di un’attenta analisi del problema si è giunti allo sviluppo del seguente circuito:

Il circuito prevede l’utilizzo di due amplificatori operazionali. Il primo viene utilizzato come amplificatore invertente, il secondo come differenziale.

Si osservi che la tensione di riferimento V_ref per il differenziale viene applicata al morsetto non invertente dello stesso e regolata a -2 V tramite il trimmer presente nel circuito.

Di seguito vengono fornite le relazioni necessarie al calcolo di V₁.

Amplificatore invertente

R₂

V₀₁ = - --------

V_LM35Z R₁

Amplificatore differenziale

R₅

V₁ = -------- ( V_ref – V₀₁ )

R₄

2.1.3. Dimensionamento e scelta dei componenti utilizzati

Una volta elaborato lo schema di principio, la scelta dei valori delle resistenze è stata condotta considerando l’unità di misura che il segnale di uscita V₁ avrebbe dovuto assumere (Volt) in relazione all’unità di misura del segnale d’ingresso V_LM35Z. In particolare si è deciso di impostare un guadagno pari a 10 nell’amplificatore invertente e un guadagno unitario nel differenziale.

Nella realizzazione pratica sono stati utilizzati due amplificatori operazionali ciascuno dei quali presente in un integrato TL081.

Data sheet TL081

2.1.4. Funzionamento

In tali condizioni risulta:

• Per T₁ = 20 °C → V_LM35Z = 0.2 V → V₀₁ = -2 V → V₁ = 0 V;
• Per T₁ = 30 °C → V_LM35Z = 0.3 V → V₀₁ = 1 V → V₁ = 10 V.

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2.2. Blocco A2: trasduttore e condizionatore di T₂

Le richieste relative al punto primo del problema evidenziano l’identica trattazione delle temperature T₁ e T₂ in termini di variazione delle stesse entro un range definito e conversione nel relativo segnale elettrico. Per tal motivo, il circuito contenuto nel blocco A2 sarà identico a quello relativo al blocco A1.

In particolare risulta:

• Per T₂ = 20 °C → V_LM35Z = 0.2 V → V₀₁ = -2 V → V₂ = 0 V;
• Per T₂ = 30 °C → V_LM35Z = 0.3 V → V₀₁ = 1 V → V₂ = 10 V.

2.3. Blocco B: visualizzatore di T₁

Per la soddisfazione delle richieste relative al punto secondo del problema, è stato realizzato il seguente circuito:

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2.3.1. Dimensionamento dei componenti

Per il dimensionamento della rete resistiva si è tenuto conto delle tensioni di riferimento che si sarebbero dovute avere in ogni punto del partitore di tensione. Si è ipotizzata una corrente circolante all’interno della rete resistiva di 2 mA. Applicando la legge di Ohm in riferimento alle cadute di tensione che si dovrebbero ottenere in ogni singola resistenza risulta immediato il dimensionamento delle stesse.

2.3.2. Funzionamento

Mediante la rete resistiva, il terminale non invertente di ogni comparatore è sottoposto a una differente tensione di soglia (tensione di riferimento), corrispondente alla temperatura che determina il passaggio da uno stato di accensione dei LED all’altro.

L’anodo di ogni LED è sottoposto alla tensione di alimentazione +12 V.

Ne deriva il seguente funzionamento:

Finché risulta verificata la condizione:

• V₁ < 1 V, ovvero T₁ < 21 °C.

Ogni comparatore viene pilotato in uscita al massimo livello di saturazione positiva. Tutti i diodi risultano interdetti. L1 = L2 = L3 = L4 = L5 = OFF.

Non appena V₁ diventa maggiore di 1 Volt, tale per cui risulta verificata la condizione:

1 V < V₁ < 3 V

ovvero 21 °C < T₁ < 23 °C,

l’uscita del comparatore 1 viene pilotata al massimo livello di saturazione negativa. Il diodo LED L1 viene polarizzato direttamente entrando così in conduzione.

L1 ON

Nel momento in cui V₁ diventa maggiore di 3 Volt, tale per cui risulta verificata la condizione:

3 V < V₁ < 5 V

ovvero 23 °C < T₁ < 25 °C,

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l’uscita del comparatore 2 viene pilotata al massimo livello di saturazione negativa. Il diodo LED L2 viene polarizzato direttamente entrando così in conduzione.

Ovviamente anche il diodo L1 sarà in conduzione.

L1 ON - L2 ON

Procedendo secondo tale logica, si dimostra il corretto funzionamento del circuito visualizzatore.

2.4. Blocco B2: visualizzatore di T₂

Dal momento in cui la trattazione delle temperature T₁ e T₂ in termini di variazione delle stesse entro un range definito e conversione nel relativo segnale elettrico è la stessa, il circuito visualizzatore di T₂ sarà identico a quello presente nel blocco B1.

2.5. Blocco C: amplificatore differenziale

Per effettuare la differenza tra i segnali associati alle due temperature, si è deciso di utilizzare un amplificatore differenziale.

L’amplificatore differenziale.

Spesso è necessario disporre della differenza, eventualmente amplificata.