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5. Esercitazioni di laboratorio
5.1 Controllo di temperatura con LM335
Viene proposto il progetto di un attuatore, il quale avvii
un dispositivo di potenza quando la temperatura misurata
scende al di sotto di un valore prefissato.
5.1.1 Obiettivo dell’esercitazione
L’esercitazione richiede all’alunno l’analisi dei dati del
trasduttore LM335, di progettare quindi un sistema che
consenta il controllo della temperatura in una camera
termostatica, attivando un elemento riscaldatore quando
la temperatura scende al di sotto di una soglia prefissata, compresa tra 30 °C e 50 °C, temperatura regolabile
dall’utente finale.
Infine, viene richiesto di progettare un circuito (utilizzando sempre il medesimo trasduttore) che fornisca una
tensione compresa tra i 2 V e i 5 V per un intervallo di
temperatura sempre compresa tra 30 °C sino a 50 °C.
Figura 5.1: Il termometro di Galileo.
5.1.2 Esempio di lavoro
La procedura, proposta, è la seguente. Naturalmente
ogni alunno è libero di arricchirla e fare eventuali ipotesi
aggiuntive.
1. Scegliere la tensione di alimentazione del trasduttore a disposizione.
2. Valutare la necessità di trasformare la grandezza elettrica fornita dal trasduttore.
3. Definire il circuito di condizionamento se al punto precedente è stata rilevata la necessità di
trasformare il segnale proveniente dal trasduttore.
4. Definire il circuito di comando dell’elemento riscaldatore a disposizione (es. lampada 12
V/25 W).
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Capitolo 5. Esercitazioni di laboratorio
5. Valutare la corrente che circola nell’elemento riscaldatore e la relativa potenza dissipata.
6. Definire la configurazione dell’amplificatore operazionale in configurazione comparatore.
7. Definire il valore della resistenza che limita la corrente di base del transistor, ma che permetta
la saturazione dello stesso e non carichi eccessivamente l’amplificatore operazionale.
8. Quando l’uscita del comparatore è a livello basso la giunzione Base/Emettitore del transistor
di comando deve essere protetta: identificare un componente che risponda a tale esigenza.
9. Dimensionare il partitore con potenziometro da collegare all’ingresso non invertente del
comparatore in modo che sia possibile fissare la soglia di commutazione tra i 20 °C ed i 50
°C.
10. Effettuare il collaudo del circuito utilizzando un contenitore e un termometro a mercurio.
11. Dimensionare un circuito utilizzando un amplificatore differenziale.
12. Tarare e collaudare il sistema.
Al termine della progettazione, della simulazione e della prova pratica curare la stesura di
una relazione in formato digitale. La consegna della relazione dovrà avvenire tramite il portale di
Istituto.
5.1.3 Oggetto dell’esercitazione
Realizzare il circuito di Figura 5.2 considerando che la temperatura del laboratorio è pari a 25
°C e che la temperatura di riferimento Trif = 40 °C è la temperatura sopra la quale l’elemento
riscaldatore non entra in funzione.
Figura 5.2: Schema circuitale di principio.
Simulare l’elemento riscaldatore con un diodo led verde con in serie un’opportuna resistenza e
testare il circuito riscaldando il trasduttore accostando la punta di un saldatore al trasduttore.
Il circuito utilizza un comparatore di tensione per monitorare costantemente la temperatura
proveniente dal trasduttore e la confronta con una tensione di riferimento (relativa a 40 °C). Quando
la temperatura rilevata dal trasduttore è minore di 40 °C (uscita dell’amplificatore operazionale a
livello alto), il transistor entra in conduzione accendendo il led posto sul collettore. Nel caso in cui
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la temperatura rilevata è più alta di 40 °C, l’uscita dell’amplificatore si porta a livello basso e il
transistor entra in interdizione spegnendo il led.
5.1.4 Considerazioni iniziali
Studiando il datasheet del trasduttore LM335 ci si accorge come l’utilizzo dello stesso semplifica
notevolmente il circuito, poiché—al variare della temperatura—il trasduttore stesso fornisce in
uscita una variazione di tensione.
Come si vede dalla Figura 5.2, i “sotto circuiti” da risolvere sono due e le resistenze da
determinare risultano essere R1 , R2 (un partitore di tensione) e R3 (nel circuito con LM335).
5.1.5 Dimensionamento del partitore
Al fine di dimensionare in modo corretto il partitore, bisogna calcolare in
modo appropriato il valore di tensione VT H . Essa rappresenta la tensione al
di sopra della quale il circuito non dovrà più attivare l’elemento riscaldatore
(o meglio: il diodo dovrà essere spento).
Dato che la temperatura di riferimento è 40°C, si ha VT H = 3.13 V, poiché
il sensore di temperatura LM335 restituisce in uscita 10 mV/°K × 313 °K.
I valori di R1 e R2 vengono calcolati con la regola del partitore di tensione.
Si ha
R2
3.13 V
=
,
(5.1)
12 V
R1 + R2
da cui si evince
R1
= 2.834.
R2
(5.2)
Figura 5.3: PartiCome è evidente, in questo modo solo una delle due resistenze assumerà tore di tensione.
un valore standard, il che è non è permesso. È possibile utilizzare un trimmer
per risolvere il problema.
Si sostituisce a R1 una resistenza (ad esempio da 1.2 kΩ) e—in serie—un trimmer, e si utilizza
in luogo di R2 un resistore da 4.7 kΩ. Attraverso semplici calcoli si può dimensionare il trimmer.
2.834(1.2 kΩ + X) = 4.7 kΩ
⇒
X = 0.459.
(5.3)
Pertanto, la soluzione più semplice, è utilizzare un trimmer da 1 kΩ, tarato al 45.9 %.
5.1.6 Dimensionamento del circuito con LM355
La Figura 5.4 illustra una configurazione standard in cui può essere
montato il trasduttore di temperatura LM335 e specifica il segnale
d’uscita, pari a 10 mV/°K.
Il trasduttore è stato collegato al circuito utilizzando questa
configurazione, e rappresenta uno dei sotto circuiti da risolvere per
dimensionare il circuito. Fissato V + = 12 V (in linea con le altre
alimentazioni del circuito) e il trimmer R1 = 10 kΩ, sapendo che a
25 °C l’uscita dovrà essere di 2.98 V, resta da calcolare il resistore
R1 .
Il calcolo può avvenire utilizzando la (5.4), dove il trimmer
Figura 5.4: Sensore di tempeviene indicato con R2 :
ratura.
(
IZ = I1 − I2
.
(5.4)
V
V
IZ = RR11 − RR22
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Capitolo 5. Esercitazioni di laboratorio
Essendo IZ = 1 mA (valore tipico), ponendo R1 = 1.2 kΩ si ottiene R2 = 6.52 kΩ, ovvero il
trimmer va tarato al 65.2 % (essendo da 10 kΩ).
5.1.7 Dimensionamento del diodo led
Come accennato, in assenza di un elemento riscaldatore, è stato utilizzato un diodo led come
segnalatore del funzionamento del circuito. In particolare, se il led è spento, il circuito si trova
nello stato di riposo (la temperatura di riferimento è stata raggiunta o superata), se il led è accesso
il circuito si trova nella condizione di lavoro e l’elemento riscaldatore viene attivato al fine di
raggiungere la temperatura di riferimento.
Il led è alimentato all’anodo con una tensione di + 12 V ed è ovviamente accompagnato da un
resistore il cui valore viene scelto in base alla corrente che deve scorrere nel diodo. Dal momento
che essa è di circa 20mA si ottiene:
RD =
12 V
= 560 Ω.
20 mA
(5.5)
5.1.8 Circuito finale
In definitiva, il circuito da realizzare è mostrato in Figura 5.5.
Figura 5.5: Schema circuitale dimensionato.
5.1.9 Componenti speciali
Gli unici componenti nuovi, al momento dell’esecuzione della prova, sono il
trasduttore LM335 e il BJT BD439. È quindi d’obbligo consultare i relativi
datasheet1 indicanti la piedinatura di entrambi i componenti, nonché il loro
modo d’uso.
Per quanto riguarda l’LM335, il catodo è stato collegato a massa e al
pedino sinistro del trimmer, l’anodo al resistore R2 e al pedino destro del
Figura 5.6: Sensore
reostato, mentre l’adjuster al pedino centrale del trimmer.
di temperatura.
1 Inutile
ricordare che tutti i datasheet sono redatti in lingua inglese.
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Dopo l’identificazione dei pedini del transistor, si è collegata la base alla
resistenza da 1 kΩ e al catodo dell’1N4148, l’emettitore a massa e all’anodo del diodo. Infine il
collettore alla resistenza RD .
5.1.10 Schema di montaggio
In Figura 5.8 viene illustrato il circuito senza l’alimentazione. Questo schema di montaggio mostra solo il collegamento dei vari
componenti circuitali.
La tensione fornita dall’LM335 viene confrontata con una tensione di riferimento scelta tramite il trimmer nel partitore di tensione. Queste due tensioni vengono, successivamente confrontate
tramite il comparatore e inviate al circuito di potenza, il quale
accende e spegne un led.
Figura 5.7: Pedinatura del
Avendo utilizzato un circuito di potenza, in uscita si ha la transistor.
possibilità di gestire attuatori che non sarebbe possibile pilotare
con un semplice amplificatore operazionale.
Figura 5.8: Schema di montaggio su breadbord.