Tesina sull'Inquinamento

1) Struttura NAP-11AS

2) Aspetti NAP-11AS ppm)

* Altamente sensibile a basse concentrazioni di gas ( ~100

* Molto stabile all’umidità ambientale

* Circuito facilmente progettabile

3) Applicazioni NAP-11AS

* Ventilatore automatico

* Purificatore d’aria (per uso domestico, per auto)

* Condizionatore d’aria

* Robot da cucina

Il grafico sottostante rappresenta le caratteristiche di sensibilità (selettività

e concentrazione) a diversi gas.

Caratteristiche di sensibilità

Concentrazione gas (ppm)

Seguono i dati della caratteristica di risposta ottenuti dal circuito di misura

descritto in basso. Poiché la prova è stata effettuata immettendo fumo di

sigaretta attraverso una siringa in una camera campione di 140 l di

capacità, il tempo di risposta include il tempo richiesto per la completa

dispersione del fumo nella stessa camera.

Circuito di misura Caratteristiche di risposta

La seguente tavola rappresenta la variazione della tensione di uscita di un

sensore allorquando il NAP-11AS risulti effettivamente montato su un

purificatore d’aria. Come riferimento vengono mostrati in parallelo i dati di

un sensore per aerosol (sensibile solo ai componenti in particelle), per cui la

tavola dimostra che l’aerosol viene rimosso velocemente dal purificatore

d’aria, ma che la rimozione dei gas richiede maggior tempo. 3

Variazione della tensione di uscita Volume dello spazio: 1 m

del sensore nel purificatore d’aria Sigaretta bruciata:

0.5 pezzi di sigaretta bruciata

M. Electric Co.,

A cura della

Ltd.

* Si riportano i seguenti dati di riferimento relativi alla sensibilità del NAP-

11AS ai principali ingredienti del fumo di una sigaretta.

Dati di riferimento (2) Sensibilità agli ingredienti del fumo di una sigaretta:

Fumo di sigaretta Concentrazione per Sensibil Condizioni per la

pezzo ità prova

Ingredienti Formul (Ra/Rg)

a 3

Sigaretta bruciata in 30m 8.0

ppm ppm

Monossido di CO 1.0 1.8 10

carbonio ppm

Acetaldeide CH CH 0.5 4.5 10

3

O ppm

Ammoniaca NH 0.3 2.5 10

3 ppm

Formaldeide HCHO 0.2 3.2 10 ppm

Acetone (C H ) 0.07 10.5 10

3 2

CO ppm

Acido acetico CH CO 0.07 6.8 10

3

OH ppm

Nicotina C H N 0.07 18.0 10

10 14

2 ppm

Toluene C H CH 0.05 8.3 10

6 5

3 ppm

Piridina C H N 0.02 9.3 10

5 5

Ra/Rg

* = Valore di resistenza in aria pulita/ Valore di resistenza in gas

ppm

** = parti per milione

SCHEMA ELETTRICO SENSORE NAP-11AS

Il resistore chiamato R18 non è altro che il sensore che varierà il proprio

valore resistivo in funzione della percentuale di fumo di sigaretta presente

nell’ambiente, secondo la tabella che segue :

Questo significa che i valori di uscita al 1° stadio (conversione R/V e

inversione tendenza del segnale) saranno:

Livello di Valore Conversione R/V su Tension

inquinam resistenza resistenza limitatrice e in

ento del uscita

R (≡ R )

L 10

impurità sensore al

buffer

“i” R [kΩ] V [V] V [V] V [V] V ≡V

S L L L B 01A

[ppm] teoric simul reale [V]

o* ato

Basso: 22 3,125 3.12 3.1 3.2

i<4 per

i=2 ppm

Medio: 12 4.54 4.60 4.62 4.6

4<i<8 per

i=6 ppm

Alto: 0.56 9.46 9.47 9.58 9.7

i>8 per

i >1000

ppm ANALISI SECONDO BLOCCO

RIVELATORE QUALIT À DELL’ARIA

Il secondo blocco del progetto normalizza, relativizza ed infine condiziona il

segnale proveniente dal trasduttore.

La prima funzione, la normalizzazione rende la risposta universale, cioè che

può andare bene per i vari tipi di trasduttori appartenenti alla stessa

famiglia.

Questa funzione viene svolta dal Buffer U1 ( Voltage Follower) che ha come

funzione quella di adattare le impedenze di ingresso rispetto a quelle di

uscita ( essendo il trasduttore un dispositivo ad alta impedenza).

Fatto ciò si relativizza il segnale in uscita al Buffer (U1) tramite un partitore

di tensione avente un coefficiente α = 0.64 ( attenuazione del partitore).

Il segnale così relativizzato viene sommato ad una tensione continua.

Lo stadio differenziale (U2) quindi effettua un somma algebrica col segnale

proveniente dal partitore una tensione continua opportunamente regolata

tramite il trimmer R21 effettuando così il condizionamento del segnale.

Il trimmer R21 forma un partitore variabile con il resistore R20 avendo come

tensione di riferimento Vcc3, cioè la +5Vcc.

Questo significa che la tensione di offset può variare da 0Vcc fino a 3.4Vcc.

ANALISI DEL CIRCUITO

Questo stadio è un Amplificatore Operazionale in configurazione Non

Invertente, la sua unica funzione è quella di adattare le impedenze, essendo

esso a guadagno unitario come si evince dalla formula:

Dove R2 sarebbe il Resistore in controreazione, nel nostro caso 0 Ω ed R1

sarebbe il Resistore connesso tra il pin Invertente e massa che nel nostro

caso è ∞ . Pertanto il guadagno sarà:

G = 1

Conservando l’elevatissima resistenza d’ingresso propria degli Operazionali

che nel nostro caso per il UA741 vale :

Viceversa può pilotare carichi che hanno bassa impedenza senza alterare le

caratteristiche del segnale trasdotto come si può vedere dal grafico :

AMPLIFICATORE DIFFERENZIALE

Per amplificatore differenziale si intende un circuito in grado di amplificare

la differenza tra i due segnali applicati ai due ingressi V E V .

1 2

L’uscita Vo è una combinazione lineare degli ingressi V e V :

1 2

Perché risulti:

bisogna imporre che i coefficienti a e a siano tra loro uguali.

1 2

Essendo il circuito lineare ed agendo due cause, per calcolare la funzione

d'uscita si utilizza il principio di sovrapposizione degli effetti. Si calcola

l’uscita Vo come somma di Vo1 , che è il contributo di V al segnale d'uscita

1

una volta cortocircuitato a massa il segnale V , e Vo2 , che è il

2

contributo di V al segnale d'uscita una volta cortocircuitato a massa il

2

segnale V .

1

Si cortocircuita a massa V e si calcola Vo1 :

2

L'amplificatore è in configurazione non invertente, pertanto:

Si cortocircuita a massa V e si calcola Vo2 .

1

L'amplificatore è in configurazione invertente, pertanto:

Sovrapponendo gli effetti, si ha:

ANALISI TERZO BLOCCO

RIVELATORE QUALIT À DELL’ARIA

Il terzo blocco riceve il segnale “condizionato “ dal secondo blocco.

Tale segnale, opportunamente adattato viene inviato a due comparatori non

invertenti.

Il terzo blocco quindi ha una funzione “decisionale” in quanto in funzione

del valore che riceve dal blocco 2 fa scattare gli attuatori che pilota, di

seguito è spiegato come :

 Il Comparatore U4 ha una soglia prefissata dal partitore R9- R10 Vrif2=

2.97V

L’uscita di questo comparatore tramite il diodo D5 ( la cui

 funzione è di eliminare la tensione negativa) pilota la base del

transistor Q2 usando quest’ultimo come uno switch,

portandolo dalla interdizione alla saturazione.

ANALISI DEL CIRCUITO

Calcolo della Vrif2 :

Dato il partitore di tensione R9 -R10 abbiamo :

 Vrif2 = R10 * VCC3 = 1000 * 5 = 2.97Volt

o R9+R10 680 + 1000

Pertanto come si può vedere dal cronogramma che segue al valore di

2.97Volt l’uscita del comparatore passerà dalla tensione di saturazione

negativa a quella positiva : CRONOGRAMMA

Successivamente il Diodo D5 eliminerà la componente negativa dall’uscita

del comparatore, facendo così variare la tensione sulla base di Q2 da 0Volt

alla Vsat positiva dell’Operazionale.

Quando la tensione all’ingresso del comparatore sarà > 2.97V U4

manderà in saturazione Q2 con una corrente di base pari a :

Ib = VoutU4-VD5-VbeQ2 ≈ 7.5-0.6-0.6 ≈ 4.2mA

 Q2 R7 1500

Dove la VoutU4 è la tensione di saturazione a Loop Aperto dell’Operazionale

UA741 stimabile, nella peggiore delle ipotesi in circa 7.5Volt (15Volt diviso

2) con una VCC = ±10Volt come si evince dal datasheet:

VD5 è la tensione diretta di soglia di una giunzione P-N che mediamente

per i diodi al Silicio si aggira tra i 0.8÷1 Volt come si evince dal datasheet :

lo stesso dicasi per la Vbe del 2N2222 come da datasheet:

 Il Comparatore U3 ha una soglia prefissata dal partitore R5- R6 Vs2=

2.00V

L’uscita di questo comparatore tramite il diodo D1 ( la cui

 funzione è di eliminare la tensione negativa) pilota la base del

transistor Q1 usando quest’ultimo come uno switch,

portandolo dalla interdizione alla saturazione.

ANALISI DEL CIRCUITO

Calcolo della Vrif1 :

Dato il partitore di tensione R5 –R6 abbiamo :

 Vrif1 = R6 * VCC3 = 2200 * 5 = 2.00Volt

o R5+R6 3300 + 2200

Pertanto come si può vedere dal cronogramma che segue al valore di 2.00

Volt l’uscita del comparatore passerà dalla tensione di saturazione negativa

a quella positiva : CRONOGRAMMA

Successivamente il Diodo D1 eliminerà la componente negativa dall’uscita

del comparatore, facendo così variare la tensione sulla base di Q1 da 0Volt

alla Vsat positiva dell’Operazionale.

Quando la tensione all’ingresso del comparatore sarà > 2.00V U3

manderà in saturazione Q1 con una corrente di base pari a :

Ib = VoutU3-VD1-VbeQ1 ≈ 7.5-0.6-0.6 ≈ 4.2mA

 Q1 R7 1500

Dove la VoutU3 è la tensione di saturazione a Loop Aperto dell’Operazionale

UA741 stimabile, nella peggiore delle ipotesi in circa 7.5Volt (15Volt diviso

2) con una VCC = ±10Volt come si evince dal datasheet:

VD1 è la tensione diretta di soglia di una giunzione P-N che mediamente

per i diodi al Silicio si aggira tra i 0.8÷1 Volt come si evince dal datasheet :

lo stesso dicasi per la Vbe del 2N2222 come da datasheet:

SCHEMA A BLOCCHI

Out1(Vs1)

Dal blocco 2 BLOCCO DECISIONALE Out2(Vs2)

Vs1 Vs2

TENSIONI DI SOGLIA

ANALISI QUARTO BLOCCO

& MULTIVIBRATORE ASTABILE

RILEVATORE QUALIT À DELL’ARIA

Il quarto blocco è quello di Attuazione, cioè pilota, tramite dispositivi di

media/alta potenza gli attuatori finali.

Questo blocco, pur gestendo Potenze medio/alte è abbastanza semplice, in

quanto fa uso di dispositivi di commutazione (Relè) e di Trasduttori

( Altoparlante e Ventola).

Il dispositivo di commutazione può anche essere sostituito da un Transistor

MOSFET che ben si presta a questo tipo di uso.

Vs1 dal

transistor

Q1 del

terzo

blocco

Il segnale Out1(Vs1) eccita il Relè 2.

Il Relè2 mette in funzione il primo trasduttore (Ventola) che in caso di

piccole fughe di Gas potrebbe risolvere l’emergenza dissolvendo lo stesso al

di fuori dell’ambiente. Inoltre fornisce anche un’indicazione luminosa

tramite i Diodi LED ( Diodo Verde D4 condizione normale, Diodo Giallo D3

condizione di pericolo).

Il diodo D2 serve per limitare i picchi di tensione ai capi del transistor Q1

(Terzo Blocco) pilotando quest’ultimo un carico induttivo che potrebbe

creare delle forze contro elettro motrici (FCEM) che si potrebbero sommare

alla VCC3 e distruggere il transistor stesso.

Il resistore R8 serve per determinare la retta di carico dei diodi D3 o D4 e

quindi la corrente che circolerà nei LED stessi.

Segnale a frequenza

fissa generato dal

multivibratore

Astabile U5

Vs2 dal

transistor

Q2 del

terzo

blocco

Il segnale Out1(Vs1) eccita il Relè1.

Lì dove la fuga di Gas dovesse essere di maggiore portata si ecciterà il

Relè1 che metterà in funzione un dispositivo di allarme acustico, fornendo

anche un’indicazione luminosa tramite il Diodo LED D7, facendo scattare

l’evacuazione dell’ambiente interessato.

Il diodo D6 serve per limitare i picchi di tensione ai capi del transistor Q2

(Terzo Blocco) pilotando quest’ultimo un carico induttivo che potrebbe

creare delle forze contro elettro motrici (FCEM) che si potrebbero sommare

alla VCC3 e distruggere il transistor stesso.

Il resistore R15 serve per determinare la retta di carico del diodi LED D7 e

quindi la corrente che circolerà nel LED stesso.

MULTIVIBRATORE ASTABILE

Il multivibratore astabile e un generatore di onde quadre e rettangolari;

esso e un circuito retroazionato positivamente, avente due stati entrambi

instabili, che si ripetono periodicamente senza la necessita di comandi

esterni. Nell'istante in cui viene connessa l'alimentazione, il circuito si porta

spontaneamente in uno stato; la struttura instabile della connessione,

determina una oscillazione periodica tra i due stati alto e

basso, che può assumere l'uscita.

Analizzando il circuito di base si nota che il multivibratore astabile e

composto da un comparatore con isteresi e da un integratore passivo RC.

Analisi del circuito di base e forme d'onde di Vc e di Vout

Si analizza il funzionamento dell'astabile, supponendo che il condensatore