Appunti sul circuito di controllo

1 - Oscillatori: Generalità
Verranno illustrati in questo capitolo due tipi di oscillatori:
a) Oscillatore con Trigger di Schmitt
b) Oscillatore con NE555
1.1 Trigger di schmitt
L’amp-op viene reazionato positivamente tramite le resistenze Rf e Rr, il segnale vs viene applicato
al morsetto invertente tramite una resistenza Ri mentre un eventuale tensione di riferimento viene
applicata alla resistenza Rr.
Ri
vs
Rr
Vr
v1
v2
-
v0
+
Rf
Fig.1.1 - Schema di principio del Trigger di Schmitt
vout
VOH
Vti
Vr
Vts
VOL
Fig.1.2 - Caratteristica ingresso-uscita del Trigger di Schmitt
1
Vs
1.1.1 Multivibratore astabile con Trigger di Schmitt
Il multivibratore astabile, o ad oscillazione libera, è un circuito che presenta una uscita che
commuta tra due stati quasi stabili in maniera ripetitiva e con una frequenza che dipende dai
paramentri del circuito.
La realizzazione circuitale mediante un trigger di Schmitt invertente comporta una reazione positiva
tramite il partitore Rf, Rr che fornisce la tensione di soglia al morsetto non invertente
v1 = Vt =
Rr
V 0 = βV 0
R f + Rr
R
C
v2
Rr
v1
-
v0
+
Rf
vc
Fig.1.3
VOH
Vts
t
1
2
3
Vti
vo
VOH
t
T1
VOL
T2
T0
Fig.1.4
2
1.1.2 Realizzazione dell’oscillatore
Si vuole realizzare un oscillatore che generi un’onda quadra alternata che abbia le seguenti
caratteristiche:
•
•
VMAX=5V
f=5kHz
sfruttando lo schema proposto in figura 1.3
Dalle formule si ricavano, per le resistenze e il condensatore, i seguenti valori:
•
•
•
•
•
Rr=10Ω
Rf=10Ω
R=10Ω
C=10µF
Operazionale TL082
Il TL082 è un amplificatore operazionale che, per il suo corretto funzionamento, richiede
un’alimentazione duale. Questa può essere ottenuta sfruttando la doppia uscita di un alimentatore da
laboratorio. In figura 1.5 viene mostrato schematicamente come collegare i morsetti di uscita
dell’alimentatore Tektronix PS280:
TastoA: Deve essere
premuto per collegare
in serie gli alimentatori
interni
-V
GND
+V
Fig.1.5
3
1.2 NE555
Lo schema a blocchi di un NE555 è il seguente:
Vcc
R
5K
Output
Vc
2/3Vcc
+
Vth
R
5K
Vt
FF-RS
Discharge
1/3Vcc
R
+
5K
GND
Reset
Fig.1.6
Analizzando lo schema a blocchi dell’integrato si può notare un partitore di tensione costituito da
tre resistenze eguali di valore 5k ( da cui la sigla 555 ) che fornisce le tensioni di riferimento a due
comparatori, quello di soglia non invertente ( Vr = 2/3 Vcc ) e quello di trigger invertente
( V r = 1/3 Vcc ), le cui uscite agiscono in modo asincrono su un flip-flop RS che a sua volta
controlla, tramite l’uscita Q negata, sia il circuito di potenza esterno che la base de transistor Td di
scarica.
Esiste inoltre un ingresso di reset per il flip-flop, prioritario in ogni momento.
Il funzionamento interno del 555 è determinato dalle tensioni in uscita dei due comparatori:
- se la tensione di trigger Vt scende al disotto del valore Vr=1/3Vcc l’uscita del comparatore
diventa alta e di conseguenza bassa quella Q negata del flip-flop che così interdice il transistor
Td di scarica e porta a livello alto l’uscita bufferizzata di potenza.
- se la tensione di threshold Vth supera il valore Vr=2/3Vcc, l’uscita del comparatore di soglia
diventa alta e così anche quella Q negata del flip-flop, che pertanto porta in conduzione il
transistor Td di scarica ed a livello basso l’uscita bufferizzata di potenza.
L’ingresso Vc del control Voltage può essere utilizzato per variare il livello della tensione di
riferimento dei comparatori, ponendo una resistenza in parallelo a quelle interne oppure
applcandovi direttamente una tensione; se questo ingresso non viene utilizzato è buona norma
collegarlo a massa tramite un condensatore per evitare la possibilità di oscillazioni.
4
La configurazione astabile del 555 è mostrata in figura:
Vcc
R
5K
Output
Vc
2/3Vcc
Vcc
+
Vth
R
R
5K
FF-RS
RA
Q
S
Vt
Discharge
1/3Vcc
R
RB
+
5K
vc
C
GND
Reset
Fig.1.7
1
8
2
RA
7
NE555
RB
3
6
4
5
C1
Fig.1.8
5
C2
Il grafico seguente mostra l’andamento dei segnali all’interno dell’integrato NE555
R
S
Q
vc
2/3Vc
1/3Vc
v0
Fig.1.9
6
1.1.1 Realizzazione dell’oscillatore con l’integrato NE555
Si vuole realizzare un circuito che generi un’onda quadra con duty-cycle del 50% e una frequenza
di 300Hz.
Si utilizza lo schema proposto nella figura seguente:
T1
T2
T
Fig.1.11
1
8
2
RA
7
NE555
RB
3
6
4
5
C1
C2
Fig.1.10
Dalle seguenti espressioni si trovano per i componenti i valori in tabella:
1
1,44
T2 = 0,693 × R2 × C1
=
T1 = 0,693 × ( R1 + R2 ) × C1
T (R1 + 2 R2 )C2
Dalle formule si evince che l’uguaglianza T1=T2 si verifica solo se R2 ⟩⟩ R1
R1=100Ω
RB=1MΩ
C1=10000pF
C2=2200pF
IC=NE555
Il montaggio del circuito viene suddiviso in due fasi:
1. Montaggio su scheda per prototipi e test di funzionamento
2. Montaggio su circuito stampato e test di funzionamento
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2 - Integratore e comparatore
2.1 Circuito integratore
Si consideri un amp-op nella configurazione invertente nella quale l’impedenza di reazione sia
costituita da una capacità Cf mentre quella di ingresso da una resistenza Ri.
Cf
Ri
vi
if
ii
v1
v2
-
v0
+
Fig.2.1
Dato che l’ingresso invertente è virtualmente a massa, risulta:
ii =
vi
Ri
i f = −C f
ed essendo ii=if
dv 0
dt
cioè
vi
dv
= −C f 0
Ri
dt
si ottiene:
v0 = −
1
∫ vi dt
Ri C f
A causa delle correnti di polarizzazione e della tensione di fuori zero d’ingresso, la tensione in
uscita cresce linearmente nel tempo sino a raggiungere il valore di saturazione anche in assenza di
segnale.Si deve così minimizzare la tensione di offset dell’amp-op mediante una resistenza R
8
(=Ri//Rp) in serie al morsetto non invertente e ridurre il guadagno dell’integratore alle basse
frequenze mediante una resistenza Rp (di valore elevato = 10Ri) in parallelo alla capacità Ci in modo
che l’impedenza di reazione non potrà mai diventare infinita.
Rp
Cf
vi
ii
Ri
if
v1
v2
-
v0
+
R
Fig.2.2
La caratteristica linearizzata dell’integratore reale è la seguente :
Gdb
0db
fc
fi
Fig.2.3
dove:
fc =
1
2πR p C f
fi =
9
1
2πRi C f
f
2.2 Comparatore
Un circuito comparatore presenta due ingressi eccitati rispettivamente da una tensione di
riferimento Vr costante e dal segnale vs ed una uscita che può assumere solo due valori nettamente
distinti e quindi atti a rilevare se il segnale vs ha raggiunto oppure no il prefissato livello di
riferimento.
vo
voH
Vr
v0
t
Vr
vs
voL
Fig.2.4
Utilizzando un amplificatore differenziale senza rete di reazione e quindi tale da presentare un
guadagno A ad anello aperto molto elevato, si ottiene una grande risoluzione del confronto tra i due
segnali d’ingresso, come si può notare ricordandone la caratteristica di trasferimento: infatti a
temperatura ambiente è sufficiente uno scarto di circa 200mV per passare dall’interdizione alla
saturazione e viceversa.
vo
voH
Vr
-
v0
vs
Vr
vs
+
voL
200mV
Fig.2.5
In commercio esistono amplificatori differenziali destinati allo scopo specifico di comparatore che
presentano risoluzioni molto elevate, anche minori di 15µV, quali il µA 311.
10
vs
-
R
+
Z1
Vr
2 x Vz
Z2
Fig.2.6
v0
Vz1
Vr
vs
Vz2
Fig.2.7 Caratteristica del Comparatore con due diodi Zener in uscita
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