TECNICO DELLE INDUSTRIE ELETTRONICHE
Misura n.3 A.s. 2012-13
PROGETTAZIONE DI UN CONTROLLO
ON-OFF CON CRITERI E
METODOLOGIA
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Controllo di temperatura On/Off
Schema elettrico
Il circuito indicato in figura è un esempio di sistema di automazione progettato per il
controllo automatico della temperatura all’interno di un ambiente chiuso. Questa
esercitazione è da montare su una bread-board e successivamente assemblare su una
mille fori. Il circuito dovrà misurare la temperatura all’interno della stanza attraverso
l’accensione del LED verde che indicherà che la temperatura mantenuta è al di sotto
di quella massima accettabile e del LED rosso che invece indicherà una temperatura
in allerta (superamento della temperatura massima) atta a fare attivare attraverso un
relè, una ventola predisposta per il raffreddamento ambientale.
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In figura è riportato un’immagine relativa alla fase di costruzione del
circuito di controllo On/Off
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Curve caratteristiche
Per ottenere la massima temperatura di soglia occorre agire su un componente integrato
chiamato comparatore. Questo circuito effettuerà un confronto tra il segnale di riferimento
(proporzionale come valore di tensione al valore di soglia massimo della temperatura) e
quello di retroazione portando la sua uscita o a livello alto o a livello basso. Prendiamo ad
esempio la temperatura di 30 °C, in base alla sensibilità del trasduttore utilizzato nel
progetto, per effettuare un controllo di temperatura bisogna mandare una tensione di 3 V al
segnale di riferimento Vr mediante la calibrazione della coppia di resistenze R1 ed R2
composta da un trimmer. Se la temperatura dell’ambiente misurata dal trasduttore e
trasformata in segnale elettrico è inferiore alla tensione di riferimento si avrà Vr > Vh
quindi avremo all’uscita del comparatore un segnale Ve a livello basso che farà azionare il
LED2 . Se invece la temperatura si porta sopra i 30 °C si avrà Vh > Vr e quindi l’uscita del
comparatore va a livello alto provocando sia l’accensione del LED1 che l’eccitazione del
Relè il quale chiuderà il circuito azionando la ventola atta al raffreddamento del sistema.
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Schema a blocchi
Nello schema a blocchi sono presenti:
Regolatore : un comparatore con isteresi a due segnali ;
Blocco di comando : un amplificatore di corrente con funzionamento a scatto, un
relè e una ventola
Sistema controllato : l’ambiente da controllare ;
Blocco di retroazione: un trasduttore di temperatura LM35
Il controllo on/off presenta nel ramo diretto un regolatore, che a sua volta ha come
ingressi Vr e Vh:
Vr è il segnale di riferimento di tutto il sistema e viene stabilito dall’operatore invece
Vh è il segnale di retroazione che viene confrontato con il segnale Vr .
All’uscita di questo comparatore si avrà un segnale Ve con solo due livelli On o Off.
Il segnale Ve viene amplificato da un primo amplificatore Q1 che comanderà
l’accensione del LED1 ( Ve a livello alto) oppure da un secondo amplificatore Q2 che
stabilirà l’accensione del LED2 ( Ve a livello basso). I due LED rappresenteranno lo
stato della temperatura ottimale (LED2) o da modificare (LED1).
A seconda il livello di tensione che si ha nel segnale Ve, l’amplificatore manderà un
segnale in grado di fare eccitare il relè il quale chiuderà il circuito che farà raffreddare
il sistema grazie all’ausilio di una ventola.
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Funzionamento Attuatore
La ventola è un attuatore che converte una grandezza elettrica in una grandezza fisica.
Questo attuatore è costituito da un motore elettromeccanico brushless (senza spazzole) a
DC composto da una parte fissa chiamata statore e da una parte mobile chiamata rotore sul
quale sono calettate le pale della ventola. Sul rotore è presente un avvolgimento elettrico il
quale è immerso in un campo magnetico creato da un avvolgimento posto sullo statore
alimentato da una forza elettromotrice. Quando il relè chiude il circuito, al rotore viene
applicata una tensione continua che genera una corrente che attraversa le spire del rotore.
Nello statore si genererà un campo magnetico che interagendo con la corrente determinano
un campo di forze che mettono in movimento il rotore e quindi la ventola comincerò a girare
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Il ramo di retroazione è costituito principalmente dal trasduttore LM35 che svolge
un’azione di misura continua della temperatura mandando un segnale Vh all’ingresso
del comparatore.
Trasduttore
Sensori e trasduttori occupano un ruolo di primaria importanza in vasti settori
dell’elettronica. Con tipologie e caratteristiche assai diversificate vengono utilizzati nel
campo dell’automazione industriale e del controllo del processo. I trasduttori sono
dispositivi che misurano una grandezza fisica di ingresso e la trasformano in una
grandezza elettrica analogica o digitale. Tra i sensori più diffusi ci sono sicuramente quelli
di temperatura in quanto la misura e il controllo della temperatura sono operazioni molto
frequente sia nell’ambito dei processi industriali che nell’ambito di applicazioni più comuni.
La scelta di un sensore di temperatura deve essere fatta con la massima cura: è necessario
conoscere tutti i tipi di dati relativi alle condizioni dell’ambiente in cui esso dovrà operare, i
valori di temperatura che dovrà rilevare e altro ancora. In pratica le caratteristiche
principali su cui si deve focalizzare l’attenzione per decidere quale tipo di sensore di
temperatura utilizzare sono:
1) Range di temperatura: è la zona di lavoro oltre il quale il trasduttore avrà un
comportamento non lineare;
2) Sensibilità: è il rapporto tra la variazione del segnale elettrico d’uscita in funzione
della variazione della grandezza fisica d’ingresso;
3) Linearità: è la curva di risposta del trasduttore che mette in relazione l’uscita con
l’ingresso, questa curva deve somigliare a una retta.
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Il trasduttore che ho deciso di utilizzare per questo progetto è l’LM35. Questo tipo di
trasduttore è costituito da semiconduttori in forma integrata e il suo funzionamento si basa
sulla variazione di tensione in funzione della temperatura in una giunzione PN cioè per
ogni °C ci sarà una variazione di -2,2 mV nella giunzione. Questo tipo di realizzazione
rende possibili numerosi vantaggi, rispetto agli altri sensori perché il costruttore può
implementare sul chip tutti i circuiti di condizionamento e di amplificazione del segnale,
rendendo questi sensori molto semplici da utilizzare.
L’LM35 è in grado di fornire una tensione di uscita (Vout) proporzionale alla temperatura
( espressa in °C) secondo la seguente equazione:
Vout = T * K
Dove K è la sensibilità del trasduttore che equivale a 10 mV/ °C.Il range di temperatura
varia tra i -55 e i 150 °C con una tensione di alimentazione compresa tra 4 e 20 V.
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