indicatore di livello

Istituto Professionale di Stato per l'Industria e l'Artigianato
MORETTO
Via Luigi Apollonio, 21 BRESCIA
INDICATORE DI LIVELLO
PER LIQUIDI NON INFIAMMABILI
LX661
Realizzazione
HERRI FAUSTI
NICOLA MARCARINI
della classe 5AI a.s. 1995-96
corso per Tecnici delle Industrie Elettriche ed Elettroniche
SOMMARIO
SCHEMA A BLOCCHI: .............................................................................................................................................. 3
SCHEMA ELETTRICO:.............................................................................................................................................. 3
SPIEGAZIONE GLOBALE: ....................................................................................................................................... 3
SPIEGAZIONE DEI SINGOLI BLOCCHI: ................................................................................................................ 4
GENERATORE DI ONDE QUADRE (ASTABILE):................................................................................................. 4
CALCOLO DELLA FREQUENZA ( f ) : .................................................................................................................. 6
SONDA: ....................................................................................................................................................................... 7
COMPARATORE (INVERTENTE) : ......................................................................................................................... 9
FENOMENO DELL' ELETTROLISI ........................................................................................................................ 11
INTEGRATO TL.082 CP: ......................................................................................................................................... 12
PARTLIST: ............................................................................................................................................................. 13
2
SCHEMA A BLOCCHI:
GENERATORE DI
SONDA
COMPARATORE
ONDE QUADRE
SCHEMA ELETTRICO:
R8
DL1
220
R1
100K
DZ1
C2
R6
47uF
100K
ROSSO
R10
15V 1W
330
R3
100K
8
3
1
2
TL082
TP1
R2
100K
R4
100K
TP2
U1A
U1B
5
R5
6
7
TL082
100K
TP3
R9
330
+
12 V
-
4
C3
330nF
R7
270K
SONDA1
C1
100nF
SONDA2
SPIEGAZIONE GLOBALE:
Il circuito sopra presentato permette di controllare a distanza la quantità d'acqua presente nel
serbatoio ed avvisare quando questa è sul livello di riserva. Il circuito può essere utilizzato per
qualsiasi applicazione per la quale è necessario sapere quando l'acqua scende sotto un determinato
livello (come ad esempio il serbatoio di una macchina utensile, la cisterna di una roulotte, il
radiatore della vostra auto ecc....).
Il primo amplificatore operazionale viene utilizzato come oscillatore per generare una frequenza ad
onda quadra di circa 100Hz che, tramite la R5 raggiunge il piedino 6 del secondo operazionale
utilizzato come comparatore di tensione.
In presenza del segnale di 100Hz sull'ingresso del comparatore, il diodo LED si accenderà; se
questo segnale non dovesse giungere, con ampiezza adeguata, sull’ingresso del comparatore il
diodo led sarebbe costretto a spegnersi.
L’ ingresso invertente del comparatore risulta collegato ad una sonda, fino a quando il liquido è
presente il segnale, generato dall’astabile, viene corto circuitato a massa dal liquido conduttore
(logicamente il liquido presenta una certa resistenza) ed in tale condizione, non potendo più
raggiungere l'ingresso del comparatore, il diodo LED rimane spento.
3
Quando il liquido viene meno, il segnale da 100Hz non è più cortocircuitato a massa e potrà
raggiungere l'ingresso del comparatore facendo accendere il diodo LED. Per l'alimentazione di tutto
il circuito è necessaria una tensione continua di ### 12V dato che questo circuito può essere
utilizzato anche per il radiatore di un'auto.
SPIEGAZIONE DEI SINGOLI BLOCCHI:
GENERATORE DI ONDE QUADRE (ASTABILE):
Questo blocco poteva essere tralasciato dato che, per accendere un solo LED, si poteva utilizzare un
circuito più semplice, si poteva dunque tralasciare l'oscillatore ed utilizzare un solo operazionale
come comparatore. Questa soluzione porterebbe al risparmio di un integrato, se in ingresso si
disponesse di una tensione alternata, ma nel nostro caso usufruiamo solamente di una tensione
continua la quale ci porterebbe ad un problema di elettrolisi.
Questo blocco è costituito da un astabile, realizzato con amplificatori operazionali contenuto
all'interno dell'integrato TL082, ed è in grado di generare spontaneamente un segnale a forma
d'onda quadra.
Inizialmente supponiamo che l'operazionale sia alimentato con una tensione duale (Vcc; Vee),
successivamente vedremo che nella realtà non è possibile utilizzare una configurazione di questo
tipo, per limitare le spese , (utilizzo di alimentazione duale ) sarà necessario apportare opportune
modifiche al circuito.
Analizziamo ora il circuito basilare con alimentazione duale:
Ricordiamo che il circuito è una applicazione non lineare degli
R
amplificatori operazionali OVA dove l'uscita non può assumere valori
VCC
intermedi, alla tensione di alimentazione, ma solo i valori di
8
3
Vu
saturazione positiva e negativa ( Vcc e Vee ).
1
2
Studiamo il comportamento del circuito considerando che inizialmente
TL082
4
Vc=0 e Vu=Vcc; il condensatore C si carica attraverso la resistenza R
VEE
C
con legge esponenziale:
τ = R⋅C
R1
t
− ⎞
⎛
VC = VCC ⎜ 1 − e τ ⎟
⎝
⎠
Dove τ rappresenta la "costante di tempo" del nostro circuito.
Il condensatore si carica e la Vc raggiunge il livello UTL, del
comparatore con isteresi; l'uscita passa da Vcc a Vee (Vu = Vee).Il condensatore viene caricato da
Vee con la medesima costante di tempo e quindi inizia la scarica e poi la carica verso livelli di
tensione negativi. Trascorso un determinato tempo (T0) la Vc raggiunge il valore LTL e l'uscita
ricommuta a Vcc ed il ciclo si ripete da capo.
Per il calcolo di T1 (tempo in cui l'uscita sta alta, Vu=Vcc) impongo che nel tempo trascorso T1 la
Vc raggiunga il livello UTL, da cui risulta:
⎛ V − LTL ⎞
T1 = τ ⋅ ln⎜ cc
⎟
⎝ Vcc − UTL ⎠
R2
Ciclo di scarica: impongo che nel tempo T0 la Ve raggiunga il livello LTL:
⎛ V − UTL ⎞
T0 = τ ⋅ ln⎜ ee
⎟
⎝ Vee − LTL ⎠
Il duty cicle è del 50% per cui:
4
1
f
Le soglie di commutazione risultano dipendere da R1 , R2 , Vcc , Vee:
T1 = T0 e quindi T1x 2 = T =
UTL =
Vcc ⋅ R2
R1 + R2
Soglia di commutazione superiore.
LTL =
Vee ⋅ R2
R1 + R2
Soglia di commutazione inferiore.
Studio del circuito astabile con opportune modifiche al fine di rendere il circuito più
economico:
Il problema della doppia alimentazione viene risolto tramite
l'inserimento di R1 e R2, le resistenze sono uguali per cui ai capi di
R2 abbiamo una tensione di +6V (Vcc/2).
R1
8
U1A
12V
3
1
6V
2
TL082
4
R2
Il circuito diventa il seguente:
R3
100K
8
R1/2
U1A
3
1
50K
2
SONDA
COMPARATORE
TL082
4
VCC/2
(6V)
R4
100K
C1
100nF
Da cui possiamo ricavare le soglie di commutazione :
R1
VCC
R3
2
UTL =
⋅
+ Vcc
= 8V
R1
2 R + R1
+ R3
3
2
2
5
LTL =
VCC
⋅
2
R3
R
R3 + 1
2
= 4V
In questo modo non sono necessarie due batterie di alimentazione dato che tramite la partizione di
tensione su R1e R2 fissiamo come zero, per gli ingressi, il valore di +6V (presente ai capi di R2).
L’alimentazione positiva Vcc è pari a +12V, rispetto a massa e l’alimentazione negativa è 0V
(sempre rispetto a massa) e perciò otteniamo una tensione duale.
Analizzando il circuito, il condensatore si carica con la costante di
tempo τ = R4 ⋅ C1 , quando Vc raggiunge il valore di UTL (8V),
Vu
l'uscita commuta da Vcc a Vee; il condensatore inizia a scaricarsi
tramite R4 , la scarica non è completa dato che raggiunta (LTL)
4V, la scarica termina e il condensatore inizia di nuovo a caricarsi
(logicamente anche la carica non è completa dato che non appena
raggiunta la LTL l'uscita ricommuta e il condensatore si scarica).
0
4V
8V
12V
Ve
Analizziamo ora l’andamento della forma d'onda ai capi di C1:
Nel grafico viene messo in evidenza la carica e la scarica del condensatore C1. Interessante notare
come la soglia di commutazione superiore (V2) non è proprio 8V (come si credeva) ma assume un
valore inferiore (6.125 V ); allo stesso modo la soglia di commutazione inferiore (V1) non è proprio
4V ma assume un valore di poco inferiore (3.688 V).
CALCOLO DELLA FREQUENZA ( f ) :
Costante di tempo con cui si carica-scarica il condensatore C1
τ = C1 ⋅ R4 = 10m sec
Il duty cicle è del 50%, chiamando con T0 il tempo in cui la VU acquisisce valori di Vee
otteniamo tramite passaggi matematici :
6
T0 = τ ⋅ ln
UTL
= 6,9m sec
LTL
T = T0 × 2 = 13,8 m sec
Da cui:
1
f = = 73Hz
T
La frequnza calcolata non è uguale a quella prevista (100Hz) ma è inferiore, vari possono
essere i motivi :
• Bisogna considerare la tolleranza dei componenti in particolare di C1 ⋅ R4 che caratterizzano la
costante di tempo τ del condensatore.
• Consideriamo inoltre che il livello di saturazione positiva non è proprio 12V (come previsto),
ma qualcosa di meno; allo stesso modo il livello di saturazione negativa, non è proprio 0V ma
qualcosa di più. Conseguentemente, la soglia superiore (reale), diventa più piccola risultando
pari a 6,125V, valore inferiore rispetto agli 8V teorici. Mentre la LTL diventa di poco inferiore
ai 4V (teorici) assumendo un valore pari a 3,688V. Questo comporta nella realtà un periodo,
della forma d’onda, inferiore a quello calcolato e quindi una frequenza (reale) più elevata.
SONDA:
ASTABILE
R5
COMPARATORE
Vu
100K
C3
330nF
SONDA1
SONDA2
La sonda è costituita da una piastrina di vetronite ramata, dove la superficie ramata è stata incisa
RAME
RAME
VETRONITE
dividendola in due parti:
Quando nel contenitore è presente il liquido, (che è conduttore) il condensatoreC3 è collegato a
massa, seppur con una certa resistenza, e può svolgere la propria funzione (carica-scarica). Quando
7
il liquido viene a mancare il condensatore C3 non è più collegato a massa e il circuito si comporta
come se il condensatore C3 non esistesse.
Analizziamo meglio cosa accade quando nel contenitore è contenuto abbastanza liquido per
collegare il C3 a massa.
u
Il condensatore C3 si carica tramite la costante di tempo:
τ = R5 ⋅ C3 = 33ms
100K
C3
Il condensatore per caricarsi completamente necessita di un periodo di
330nF
tempo pari a 4 ÷ 5τ 132 ms. All’ingresso di questo blocco abbiamo una
tensione ad onda quadra avente un
T/2 = 6,9 ms.
Il condensatore quindi ha disposizione 6,9 msec per caricarsi, tempo alquanto insufficiente per
raggiungere la carica completa ( 4τ = 132m sec ); il condensatore quindi si carica pochissimo e allo
stesso modo, dato che il tempo a disposizione per la scarica è lo stesso, si scarica solo parzialmente.
Consideriamo ora cosa accade se nel contenitore non ci sia abbastanza liquido per
cortocircuitare il condensatore C3 a massa:
Il segnale di uscita, della sonda, non è altro che quello applicato in ingresso, (segnale generato dallo
astabile) ossia un segnale di forma d'onda quadra con ampiezza 12V e un periodo T=13.8ms.
R5
Forma d' onda all' ingresso del comparatore in assenza di liquido:
Come si vede nel grafico, sopra indicato, la forma d’onda in ingresso al comparatore non è altro
che quella generata dall’ astabile.
8
COMPARATORE (INVERTENTE) :
R8
220
DZ1
15 V
R6
100K
5
ASTABILE
SONDA
6
DL1
Rosso
R10
330
7
R9
330
12V
TL082
R7
270K
L'ingresso invertente del comparatore, è collegato all'uscita della sonda, mentre mentre all’ ingresso
non invertente è applicata la tensione di riferimento (tensione ai capi di R7).
La tensione di riferimento coincide con la tensione su R7 (VR7 tensione di comparazione = 8,75
V).
FUNZIONAMENTO DEL COMPARATORE :
Ve = tensione applicata al piedino invertente del A.O.
Vu = tensione in uscita al comparatore invertente
se → Ve ⟨VR 7 → VU = VEE
Questa condizione si verifica quando nel contenitore è presente abbastanza liquido e quindi Ve è un
segnale inferiore a VR7 (ricordiamo che in questa condizione il segnale applicato è costituito dalla
relativa carica-scarica di C3).
se → Ve ⟩VR 7 → Vu = VCC
Questa condizione si verifica quando nel contenitore non c’è abbastanza liquido, in questo caso il
segnale applicato al piedino invertente è quello generato dall’astabile (segnale a forma d’onda
quadra); il segnale Ve eccede a tratti ( durante il tempo in cui stà alto ) quello di riferimento.
Traendo le dovute conclusioni da quanto detto sopra : se l'ingresso non invertente prevale su quello
invertente l'uscita è massima positiva (Vu =Vcc = +12V); se l'ingresso invertente prevale su quello
non invertente l'uscita è massima negativa (Vu = Vee = 0V).
Il diodo LED si accende quando l'uscita del comparatore è circa 0V( anodo = 12V,
catodo=0V) quindi diodo polarizzato direttamente.
9
Forma d’onda ai capi del diodo LED quando viene meno il liquido contenuto nel contenitore
Come si vede nel grafico sopra indicato il diodo LED si accende ad intermittenza (si accende
quando il segnale è alto), il fenomeno non è visibile ad occhio nudo (dato che la frequenza è
abbastanza elevata) dato che il diodo LED sembra acceso in modo continuo.
Quando nel contenitore non c’è abbastanza liquido l'uscita del comparatore è massima
positiva ( Vu = VCC = +12V ) e il diodo LED è spento (tensione ai suoi capi 0V).
Nel circuito sono presenti altri componenti di fondamentale importanza come il DZ1, R8 , R3 , R10 .
10
• DZ1: fa da protezione, evita che al circuito possa giungere una tensione troppo elevata , se la
tensione di alimentazione supera i 15V (tensione di zener) entra in conduzione stabilizzando il
circuito a +15V proteggendo l'integrato da qualsiasi sovratensione.
• R8: limita la corrente del DZ1;
• R9: limita la corrente al diodo LED;
• R10: serve per impedire che il diodo LED si accenda per effetto della corrente di alimentazione
degli amplificatori operazionali;
FENOMENO DELL' ELETTROLISI
Come abbiamo visto in precedenza, il circuito poteva essere più semplice dato che si poteva
ottenere lo stesso risultato, utilizzando un solo amplificatore operazionale come comparatore e
tralasciare l'oscillatore. Questo è possibile solo in teoria dato che in pratica intervengono
determinate condizioni che non permettono il corretto funzionamento del circuito.
Disponendo solo di un' alimentazione in corrente continua insorgerebbero problemi di elettrolisi.
Si indica con il nome di elettrolisi la serie di fenomeni che si verificano in una soluzione
contenente elettroliti, allorchè ci sia un passaggio di corrente, attraverso tali sostanze, con
trasformazione di energia elettrica in energia chimica. Per spiegare meglio il fenomeno facciamo
riferimento all' elettolisi del cloruro di sodio in acqua. Se si introducono due elettrodi, (catodo =
elettrodo negativo; anodo = elettrodo positivo ) collegati da una batteria, può aver luogo l'elettrolisi
del prodotto. Al catodo vengono attirati gli ioni Na+, H+, e all' anodo migrano gli ioni Cl- e OH-.
Vediamo ora il diverso comportamento degli elementi del liquido a seconda che ci sia o meno
collegata una batteria ai capi degli elettrodi. Prima del passaggio della corrente, gli ioni Na+ e Cl- si
muovono di moto disordinato; al passaggio della corrente, gli ioni positivi (Na+, H+) si dirigono
verso il catodo dove si scaricano e si depositano, mentre gli ioni negativi (Cl-, OH-) migrano verso
l' anodo dove si scaricano sviluppando cloro gassoso. Il fenomeno dell' elettrolisi porterebbe grossi
problemi per quanto riguarda l'ossidazione degli elettrodi, diventa perciò necessario porre ai capi
della sonda una tensione alternata, dato che il condensatore C3 viene messo proprio per togliere le
componenti continue del segnale a forma d’onda quadra. In questo modo il problema dell'elettrolisi
viene attenuata limitando l'ossidazione degli elettrodi, dato che l’ ossidazione viene ripartita allo
stesso modo sui due elettrodi in modo da prolungarne la durata.
Di seguito viene riportata una rappresentazione schematica dell’elettrolisi nel cloruro di sodio
NaCl: prima del passaggio della corrente (a sinistra) gli ioni Na+ e Cl- si muovono di moto
disordinato; al passaggio della corrente (a destra), gli ioni positivi Na+,H+, si dirigono verso il
catodo dove si scaricano e si depositano, mentre gli ioni negativi Cl-,Oh-, migrano verso l’anodo
dove si scaricano sviluppando cloro gassoso.
+ CATODO - ANODO
Na+ Na+ Cl- H+ Na+
H+
H+
H+ ClONa+
OClClH+ Cl- Na+
O- Cl-
+ CATODO - ANODO
CLORURO DI SODIO
H+ Na+
IN SOLUZIONE ACQUOSA
Na+ H+
Na+
H+ H+
Na+
ClClOH- OHCl- ClOH- OHCl11
INTEGRATO TL.082 CP:
I DUE OPERAZIONALI PRECEDENTEMENTE STUDIATI SONO CONTENUTI
ALL'INTERNO DELL' INTEGRATO TL.082 CP
TL082 CP (PLASTICO)
AMPLI. 1
OUT 1
8
VCC+
IN-
2
7
OUT
IN+
3
6
IN-
VCC-
4
5
IN+
AMPLI. 2
CARATTERISTICHE ELETTRICHE CON UNA TENSIONE DI ALIMENTAZIONE +15 V, -15
V (SALVO DIVERSE INDICAZIONI).
PARAMETRI
CONDIZIONI TEST (1)
VO = 0
TA=25°C
RS = 50 ### TA=Tutto il
campo
VI0 Coefficiente di temperatura tensione di offset VO = 0
RS=50 ###
d'ingresso
TA = Tutto il campo
VO = 0
TA=25°C
IIO Corrente di offset di ingresso
VI0
IIB
Tensione di offset d'ingresso
Corrente di base d'ingresso
VICR Campo d'ingresso di modo comune
VOM Dinamica tensione di uscita
AVD Amplificazione di tensione differenziale
B1
ri
Prodotto amplificazione banda passante
Resistenza di ingresso
CMRR Rapporto di reiezione di modo comune
KSVR Tensione necessaria retoazione
Icc
Corrente necessaria
Vo1/Vo2 Iattenuazione di Crosstalk
VO = 0
TL082C
UNIT
MIN TIP MAX
3
15
20
mV
mV
18
TA=Tutto il campo
TA=25°C
TA=Tutto il campo
30
5
200
2
400
10
TA = 25°C
###11 -12
###11 15
TA = 25°C
RL=10K### ###12 13,5
TA = Tutto il campo RL=###10K
###12
###
RL=###10K ###10 ###12
###
25 200
VO ###10V
RL=###
2K###
TA = 25°C
15
VO =###10V
RL=###
2K###
TA = Tutto il campo
15
TA = 25°C
3
TA = 25°C
1012
VIC = VICRmin
RS = 50###
Vcc =###15V
RS = 50###
TA = 25°C
AVD = 100
VO=0
TA=25°C
TA=25°C
VO=0
TA=25°C
70
70
70
70
86
86
86
86
1,4
120
2,8
###
V/°C
V/°C
pA
nA
pA
nA
V
V
V
V
V
V/mV
V/mV
V/mV
V/mV
MHz
dB
dB
dB
dB
mA
dB
12
PARTLIST:
(C) Copyright 1985,1986,1987 OrCAD Systems Corporation ALL RIGHTS
RESERVED. Opening "A:\lx661b1.sch"
Opening "A:\lx661b1.sch"
Opening "A:\lx661b1.sch"
SCHEMA ELETTRICO INDICATORE DI LIVELLO
Revised:
March 14,
1996
1
Revision: 1
ELENCO COMPONENTI
June 14, 1996
9:36:53
Page
1
Item
Quantity
Reference
Part
__________________________________________________________
1
1
C1
100nF,,,,
2
1
C2
47uF,,,,
3
1
C3
330nF,,,,
4
1
DL1
LED ROSSO,,,,
5
1
DZ1
15V,,,,
6
6
R1,R2,R3,R4,R5,R6
100K,,,,
7
1
R7
270K,,,,
8
1
R8
220,,,,
9
10
2
1
R9,R10
U1
330,,,,
TL082,,,,
BIBLIOGRAFIA:
GALZIGNA L. / PAVONI F. / RIGOBELLO M.
TEXAS INSTRUMENTS
CHIMICA GENERALE E INORGANICA
DATA BOOK (LINEAR CIRCUITS)
13