Circuito della rilevazione della temperatura, tesina

ANNO SCOLASTICO 2015 - 2016

INTRODUZIONE

Scopo di questo elaborato é 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.

Giordano Cabiddu Pag. 2

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 , T

 1

e T , di due ambienti distinti, entrambe variabili tra 20 °C e 30 °C ;

2

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 l T - T l > 4 °C ;

2 1

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 l T - T l < 4

2 1

°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

Valori di Stato dei Diodi

temperatura (°C) L1 L2 L3 L4 L5

< 21 OFF OFF OFF OFF OFF

21 ÷ 23 ON OFF OFF OFF OFF

23 ÷ 25 ON ON OFF OFF OFF

25 ÷ 27 ON ON ON OFF OFF

27 ÷ 29 ON ON ON ON OFF

> 29 ON ON ON ON ON

Giordano Cabiddu Pag. 3

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

 

Giordano Cabiddu Pag. 4

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 T (e T si è deciso di utilizzare il

1 2)

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 la tensione di uscita fornita

LM35Z

dal trasduttore di temperatura, in conseguenza della

caratteristica scala lineare dell’integrato LM35Z

risulta:

Per T1 = 20 °C V = 0.2 V

  LM35Z

Per T1 = 30 °C V = 0.3 V

  LM35Z

Giordano Cabiddu Pag. 5

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 = 0.2 V V = 0 V

 

LM35Z 1

Per V = 0.3 V V1 = 10 V

 

LM35Z

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 per il

ref

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

Giordano Cabiddu Pag. 6 V = - --------

01

V

LM35Z R1

Amplificatore differenziale

 R5

V = -------- ( V

1 ref

– V )

01 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 . In

LM35Z

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 T = 20 ° C V = 0.2 V V = - 2 V

   

1 LM35Z 01

V = 0 V

1

Per T = 30 ° C V = 0.3 V V = 1 V

   

1 LM35Z 01

V = 10 V

1

Giordano Cabiddu Pag. 7

Blocco A2 : Trasduttore e

2.2. condizionatore di T2

Le richieste relative al punto primo del problema evidenziano

l’identica trattazione delle temperature T e T in termini di

1 2

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 T = 20 ° C V = 0.2 V V = - 2 V V =

   

2 LM35Z 01 2

0 V

Per T = 30 ° C V = 0.3 V V = 1 V V =

   

2 LM35Z 01 2

10 V

2.3. Blocco B : Visualizzatore di T1

1

Per la soddisfazione delle richieste relative al punto secondo

del problema, è stato realizzato il seguente circuito :

Giordano Cabiddu Pag. 8

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),

Giordano Cabiddu Pag. 9

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 +12V.

Ne deriva il seguente funzionamento:

Finché risulta verificata la condizione:

 V < 1 V

1

ovvero T < 21 °C

1

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:

1V < V < 3 V

1

ovvero 21 °C < T < 23 °C

1

l’uscita del comparatore 1 viene pilotata al massimo

livello di saturazione negativa. Il diodo LED L1 viene

polarizzato direttamente entrando cosi in conduzione.

L1 ON

Nel momento in cui V1 diventa maggiore di 3

 Volt, tale per cui risulta verificata la

condizione:

3 V < V < 5 V

1

ovvero 23 °C < T < 25 °C

1

Giordano Cabiddu Pag. 10

l’uscita del comparatore 2 viene pilotata al massimo

livello di saturazione negativa. Il diodo LED L2 viene

polarizzato direttamente entrando cosi 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, fra due segnali, per

esempio quando si voglia eliminare una componente

comune a entrambi. Il circuito di seguito esposto

presenta questa funzionalità:

Applicando il principio della sovrapposizione degli

effetti è possibile dimostrare che:

R f

V = ----------- ( V – V )

o 1 2

Giordano Cabiddu Pag. 11

R

2.5.1 L’amplificatore differenziale

utilizzato nel blocco C

Poiché il problema non prevede l’amplificazione della

differenza tra le temperature dei due ambienti si è

deciso di imporre :

R = R = 10 KΩ

f

In tali condizioni, il guadagno Av del differenziale vale :

R 10 KΩ

f

A = ----------- = ----------- =

v

1 R 10 KΩ

Di seguito viene dunque proposto il circuito

presente nel blocco C :

In particolare risulta :

R 10 KΩ

f

Giordano Cabiddu Pag. 12

V = ----------- ( V – V ) = ----------- ( V –

3 2 1 2

V ) = ( V – V )

1 2 1

R 10 KΩ

V = ( V – V )

3 2 1

2.6. Blocco D : Comparatore a finestra

Per stabilire quando l T2 - T1 l > 4 °C o l T2 - T1 l < 4 °C si è

deciso di utilizzare un semplice comparatore a finestra.

2.6.1. Il comparatore a finestra

Premessa teorica

Il dispositivo è in grado di stabilire quando la tensione

di ingresso risulta compresa tra due limiti, uno

superiore e l’altro inferiore, che rappresentano,

appunto, la “finestra”.

Il limite superiore e quello inferiore vengono fissati per

mezzo di due tensioni di riferimento VU e VL che,

come è possibile notare dal circuito, vengono applicate

rispettivamente al morsetto invertente

dell’amplificatore op. superiore e al morsetto non

invertente dell’amplificatore op. inferiore.

Circuito elettrico

Giordano Cabiddu Pag. 13

Funzionamento

Si presentano le seguenti casistiche:

Vin > Vu > VL

 L’uscita del comparatore superiore viene pilotata al

massimo livello di tensione positiva. Il diodo D1 entra

in conduzione. L’uscita del comparatore inferiore viene

pilotata al massimo livello di saturazione negativa: il

diodo D2 è interdetto. La tensione di uscita Vout è

diversa da 0 e dipende dal carico al quale il

comparatore viene collegato

D1 ON D2 OFF V ≠ 0

out

Vin < VL < Vu

 L’uscita del comparatore superiore viene pilotata al

massimo livello di tensione negativa. Il diodo D1 è

interdetto. L’uscita del comparatore inferiore viene

pilotata al massimo livello di saturazione positiva: il

Giordano Cabiddu Pag. 14

diodo D2 entra in conduzione. La tensione di uscita

Vout è diversa da 0 e dipende dal carico al quale il

comparatore viene collegato

D1 OFF D2 ON V ≠ 0

out

VL < Vin < Vu

 Entrambe le uscite dei comparatori vengono pilotate al

massimo livello di saturazione negativa. In tale

condizione, entrambi i diodi sono interdetti. La

tensione di uscita Vout è a 0 Volt.

D1 OFF D2 OFF V = 0

out

2.6.2. Il comparatore a finestra utilizzato

nel blocco D

Di seguito viene proposto il circuito del comparatore a

finestra che è stato realizzato per lo sviluppo

dell’elaborato.

Circuito elettrico

Giordano Cabiddu Pag. 15

Componenti utilizzati

Il circuito elettrico realizzato rispetta lo schema di

principio di un comparatore a finestra. Si osservi che