Laboratorio di Elettronica “Primo LEVI” – 2014-2015

Laboratorio di Elettronica “Primo LEVI” – 2014-2015
Classe 5BN - G. Carpignano
Esperienza 2 – Amplificatore operazionale nelle configurazioni
come comparatore.
Postazione N°
Cognome
Oscilloscopio:……………..
Nome
CLASSE
Generatore di funzione:………………….
1) Caratteristiche elettriche di un sensore di luce e di temperatura
1
Il componente denominato termistore NTC, è un resistore con coefficiente di temperatura negativo
(THERMally sensitive resISTOR with Negative Temperature Coefficient), in particolare il valore di resistenza
dipende dalla temperatura con una relazione di tipo esponenziale.
Nota la legge di dipendenza è possibile misurare la temperatura con una approssimazione
ragionevole.
Un sistema elettronico, la cui uscita dipende dal valore dei componenti resistivi utilizzati per
realizzare il circuito, può diventare di utilità nella misura diretta della temperatura o nell’azionamento di un
comando in funzione ad esempio di una o più soglie di temperatura.
La relazione esponenziale in prima approssimazione è la seguente:
dove:
In generale il valore nominale di un resistore NTC si riferisce al valore di resistenza alla temperature
di 20 °C
Nel nostro caso si utilizza un NTC con valore R20 20 kΩ.
Di seguito viene riportato il tabulato dei diversi valori di resistenza alle diverse temperature
comprese nell’intervallo tra 10 °C e 50 °C.
2
T [°C]
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
Rntc []
28718.202
27666.013
26659.357
25695.989
24773.786
23890.744
23044.964
22234.653
21458.112
20713.735
20000
19315.465
18658.764
18028.603
17423.755
16843.057
16285.404
15749.749
15235.098
14740.507
14265.079
13807.963
13368.35
12945.471
12538.594
12147.024
11770.098
11407.189
11057.696
10721.049
10396.705
10084.147
9782.8803
9492.4364
9212.367
8942.2451
8681.6633
8430.2331
8187.5836
7953.361
7727.2274
2) Misura delle resistenze
Prima di procedere al cablaggio del circuito occorre misurare l’effettivo valore delle resistenze fisse.
Collegate un multimetro alla breadboard mediante una coppia di cavi banana-banana e bloccate la
resistenza fra i due corrispondenti morsetti della Breadboard.
Selezionate la portata Ohm e misurate il valore di tutte le resistenze.
3
Resistenza
R1
R2
Valore nominale
3,3 K - ¼ w – 5%
15 K - ¼ w – 5%
R3
R4
15 K - ¼ w – 5%
Sostituire Fotoresistore con
Potenziometro da 10 K e tarare tra
cursore e contatto laterale a 3,3 K
15 K - ¼ w – 5%
10 K - ¼ w – 5%
R5
R6
Valore effettivo
Scarto %
3) Cablaggio del circuito
Servendosi del data sheet dell'amplificatore operazionale LM741, montate sulla Breadboard il seguente
circuito con amplificatore operazionale:
regolate la tensione di uscita dell'alimentatore a VCC = +12V.
il pin 7 dell'operazionale all’alimentazione positiva a 12V  VCC
il pin 4 dell'operazionale a ground (GND). La MASSA alla boccola NERA
sostituire il fotoresistore R4 con un potenziometro da 10 K e tarare tra cursore (contatto 2)
e contatto laterale (contatto 1) fino ad ottenere il vaore di 3,3 K
Collegate:
4) Predisposizione degli strumenti per misure in continua
Accendete l’alimentatore e misurare le due soglie di tensione presenti sul deviatore con un
multimetro elettronico:
4
Nodi
Regolazione R4
(potenz.)
Posizione S1
(deviatore)
V1
3,3 K
Sul contatto n. 3
V2
3,3 K
Sul contatto n. 3
Vout
3,3 K
Sul contatto n. 1
V2
3,3 K
Sul contatto n. 1
Vout
V2
Sul contatto n. 1
Regolare per ottenere il
valore minimo di R4
Regolare per ottenere il
valore minimo di R4
Vout
V1
V2
V2
Regolare per ottenere il
valore massimo di R4
Regolare per ottenere il
valore massimo di R4
V2
Vout
Sul contatto n. 3
Sul contatto n. 3
Sul contatto n. 3
Sul contatto n. 3
Regolare per ottenere il
valore minimo di R4
Regolare per ottenere il
valore minimo di R4
Vout
V1
Sul contatto n. 3
Sul contatto n. 3
Vout
V1
[V] misurata
Sul contatto n. 3
V1
V1
[V] calcolata
Sul contatto n. 1
Sul contatto n. 1
Sul contatto n. 1
Regolare per ottenere il
valore massimo di R4
Regolare per ottenere il
valore massimo di R4
Sul contatto n. 1
Sul contatto n. 1
Sul contatto n. 1
5) Cablaggio del circuito con LM339
Servendosi del data sheet dell'amplificatore operazionale LM339 (l’integrato viene alimentato con
una sola alimentazione e possiede delle uscite del tipo open collector) , montate sulla Breadboard il
seguente circuito con amplificatore operazionale:
5
regolate la tensione di uscita dell'alimentatore a VCC = +12V.
il pin 3 dell'operazionale all’alimentazione positiva a 12V  VCC
il pin 12 dell'operazionale a ground (GND). La MASSA alla boccola NERA
sostituire il fotoresistore R4 con un potenziometro da 10 K e tarare tra cursore (contatto 2)
e contatto laterale (contatto 1) fino ad ottenere il vaore di 3,3 K
Collegate:
6) Predisposizione degli strumenti per misure in continua
Accendete l’alimentatore e misurare le due soglie di tensione presenti sul deviatore con un
multimetro elettronico:
Nodi
Regolazione R4
(potenz.)
Posizione S1
(deviatore)
V1
3,3 K
Sul contatto n. 3
V2
3,3 K
Sul contatto n. 3
Vout
Sul contatto n. 3
V1
3,3 K
Sul contatto n. 1
V2
3,3 K
Sul contatto n. 1
Vout
V1
V2
Sul contatto n. 1
Regolare per ottenere il
valore minimo di R4
Regolare per ottenere il
valore minimo di R4
Vout
V1
Sul contatto n. 3
Sul contatto n. 3
Sul contatto n. 3
Regolare per ottenere il
valore massimo di R4
Sul contatto n. 3
6
[V] calcolata
[V] misurata
V2
Regolare per ottenere il
valore massimo di R4
Vout
V1
V2
Sul contatto n. 3
Regolare per ottenere il
valore minimo di R4
Regolare per ottenere il
valore minimo di R4
Vout
V1
V2
Vout
Sul contatto n. 3
Sul contatto n. 1
Sul contatto n. 1
Sul contatto n. 1
Regolare per ottenere il
valore massimo di R4
Regolare per ottenere il
valore massimo di R4
Sul contatto n. 1
Sul contatto n. 1
Sul contatto n. 1
7) Utilizzo di un doppio comparatore per realizzare un circuito in grado di utilizzare
due soglie di intervento.
Utilizzando un doppio comparatore LM339, una fotoresistenza oppure un ntc, occorre realizzare un
circuito partendo dallo schema sotto riportato ed inserendo un sensore nella posizione adeguata.
Determinare quindi il valore degli altri resistori a seconda delle esigenze.
I valori di resistenza del fotoresistore si possono misurare con il multimetro (in realtà occorre
oscurare o illuminare la fotoresistenza), mentre la caratteristica dell’ntc è del tipo indicata al punto 1).
Si ricorda che la corrente che viene fatta fluire nei sensori (fotoresistore o ntc) produce
autoriscaldamento e quindi deve essere contenuta al minimo indispensabile per non falsare la misura.
L’integrato LM339 è un amplificatore differenziale utilizzato principalmente nei circuiti come
comparatore a finestra, confrontando i due segnali d’ingresso.
7
In riferimento allo schema precedente si ottiene che per l’insieme di valori di tensione di ingresso
che rientrano nella cosiddetta: "finestra" l’uscita del comparatore è satura positivamente, per valori esterni
l’uscita è a livello logico basso.
Quando la tensione sull’ingresso non invertente (+) è maggiore dell’ingresso invertente (-) l’uscita
del comparatore va al livello ALTO, se si verifica la condizione contraria l’uscita sarà al livello BASSO.
Nello stadio finale di tale integrato è presente un BJT (transistor) a collettore aperto (open collector)
a seconda di dove quest’ultimo lavora si avranno in uscita due situazioni differenti.
Se il BJT lavora in zona di interdizione l’uscita è forzata al livello logico ALTO in quanto nella
resistenza collegata all’uscita non circola corrente.
Se invece il transistor lavora in saturazione la tensione d’uscita è al livello logico BASSO cioè al
corrispondente alla tensione di riferimento della massa perché Vce vale circa 0,2V.
Nella configurazione con fotoresistore l’integrato viene utilizzato come un comparatore a finestra
che per tutti i valori compresi tra 8 e 4V mantiene ALTO il livello d’uscita, mentre fuori da questo range
commuta al livello BASSO.
Riferendoci allo schema del circuito visto nella figura precedente, precisamente quello con il
fotoresistore con presenza di luce in grado di determinare un valore di R4 pari a 3.3K, l’uscita denominata
SENS_LIGHT risulta essere a livello alto.
In ingresso vi è una tensione di 12V che è ripartita su tre resistenze aventi stesso valore (R2=R3=R5=
15 KΩ). Risulterà pertanto sul nodo tra le prime due resistenze (R2-R3) un valore fisso di 8V; che troviamo
anche sull’ingresso non invertente (Vt+) del primo comparatore (U1A).
Tra la R3-R5 vi è invece un valore di 4V che è possibile rilevare sull’ingresso invertente ( Vt-) del
secondo comparatore (U1B). Tra la R1-R4 c’è una ripartizione di tensione VR4 di 6V, questo valore si
registra sull’ingresso invertente del primo comparatore (pin 6 del U1A) e sull’ingresso non invertente del
secondo comparatore (pin 5 del U1B).
In definitiva in stato di luce incidente sul fotoresistore R4, il primo comparatore avendo 8V
sull’ingresso non invertente e 6V su quello invertente avrà un’uscita alta, così come il secondo comparatore
avrà 6V sull’ingresso non invertente e 4V su quello invertente.
Se la luce incidente sulla fotoresistenza R4 aumenta in modo notevole si avrà una repentina
diminuzione del valore ohmico della R4 arrivando così fino a valori prossimi o inferiori a 100. Pertanto la
resistenza R4 viene quasi cortocircuitata e quindi il valore di tensione tra R1 e R4 si abbassa da 6V a circa
0V; questo accade anche per l’ingresso invertente del U1A e quello non invertente del U1B.
Quindi sull’ingresso non invertente del pin 7 dell’U1A avremo un valore di 8V e 0V su quello
invertente (pin 6). Anche in questo caso il livello d’uscita è ALTO (il transistor relativo a questo
amplificatore operazionale risulta interdetto).
Mentre sull’ingresso non invertente sul pin 5 dell’U1B i valori di tensione sono 0V e risultano di 4V
sull’invertente (pin 4). Questa volta l’uscita sarà al livello BASSO (il transistor relativo a questo amplificatore
operazionale risulta in saturazione).
Essendo le due uscite degli amplificatori operazionali collegate insieme (il collegamento in parallelo
è fattibile solo perché le uscite di entrambi gli operazionali sono del tipo open collector) l’uscita della linea
risulterà essere al livello BASSO.
Se la luce incidente sulla fotoresistenza R4 diminuisce in modo notevole (completamente oscurata)
si avrà un repentino aumento del valore ohmico della R4 arrivando così fino a valori prossimi o superiori a
1M. Pertanto si può notare che il valore della tensione VR4 si eleva da 6V a 12V sia sull’ingresso
invertente (pin 6) del U1A che sul pin 5 del non invertente (U1B).
Nell’U1A si avrà sull’ingresso non invertente (pin 7) un valore di tensione di 8V mentre nell’altro
ingresso (pin 6) si ha una tensione di 12V; è quindi chiaro che il livello d’uscita dell’U1A sarà al livello
BASSO.
Viceversa sull’U1B il livello d’uscita del comparatore sarà ALTO in quanto il valore di tensione
sull’ingresso non invertente (pin 5) è di 12V e 4V sull’invertente (pin 4); ma come già detto in precedenza
essendo i due comparatori collegati in open collector il livello di uscita della linea sarà comunque BASSO.
8
8) Misure sul doppio comparatore.
Collegate:
regolate la tensione di uscita dell'alimentatore a VCC = +12V.
sostituire il fotoresistore R4 con un potenziometro da 100K
VR4 [V]
Regolare il
potenziometro R4
da 100K
0V
1V
2V
3V
4V
5V
6V
7V
8V
9V
10V
11V
12V
VSENS_LIGHT [V]
9) Progettare, dimensionare e disegnare lo schema elettrico di un circuito in grado
di effettuare l’opposto di quanto è stato misurato al punto 8 con uscita TTL.
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