AREA DI PROGETTO CLASSE V SEZ. A CORSO SERALE SPEC. ELETTRONICA PROGETTO SIRIO RILEVAMENTO E CONTROLLO DI TEMPERATURA E UMIDITA’ RELATIVA PRESENTAZIONE DEL PROGETTO Questo progetto e’ stato ideato per fare in modo che la classe possa presentarlo dal punto di vista multidisciplinare con argomenti teorici e pratici riguardanti il maggior numero possibile di materie tecniche di esame; la sua realizzazione pratica, inoltre, fornisce una valida presentazione della classe alla commissione esaminatrice. All’ interno di questo documento viene esposto tutto ciò che e’ necessario per la realizzazione del progetto suindicato (schemi di principio, schemi circuitali, calcoli teorici per il dimensionamento dei componenti, nozioni teoriche sulle configurazioni scelte ecc..) e intende essere di aiuto soprattutto agli studenti lavoratori che per motivi di lavoro non possono frequentare in modo continuo le lezioni; naturalmente, ciascuno studente potrà modificare il progetto implementandolo con sue proposte. Le discipline coinvolte nel progetto sono: T.D.P. – Il programma e’ stato impostato tutto su questo progetto (sensori e trasduttori, potenziometri, scelta degli integrati, progettazione CAD, simulazione e cablaggio) ELETTRONICA – Amplificatori Operazionali in diverse applicazioni (A.O. invertente e non, A. differenziale, buffer, trigger, generatore di segnale), transistor, relay e porte logiche. SISTEMI – Progettazione di principio, schemi a blocchi, realizzazione del controllo automatico con reazione negativa, attuatori. MATEMATICA – Calcoli teorici per il dimensionamento dei componenti delle singole parti, calcolo delle costanti di tempo, logaritmi, esponenziali. INGLESE—Interpretazione e traduzione dei data-sheet dei componenti utilizzati TELECOMUNICAZIONI – Attualmente, il progetto non prevede argomenti legati alla materia, ma si puo’ introdurre una parte legata alla trasmissione a distanza dei dati rileati col sistema di rilevamento sia via cavo che via radio. METODOLOGIA UTILIZZATA Per la stesura degli schemi elettrici e lo sbroglio dei circuiti stampati e’ stato utilizzato il pacchetto software OrCAD, in particolare Capture e Layout. La realizzazione pratica dei circuiti stampati e’ stata effettuata con la tecnica del PressN-Peel (PNP5) e successivo attacco con soluzione acida. In fine tutto il progeto e’ stato convertito in files formato Gerber, che permettono la realizzazione dei circuiti stampati con la microfresatrice Proto Mat S42 di recente acquistata dall’Istituto E.Fermi e non ancora utilizzata per la didattica. CAPITOLO 1 INTRODUZIONE E DESCRIZIONE FUNZIONALE 1 1.1 Scopo 1 1.2 L’uso 1 1.3 Requisiti 1 1.3.1 Descrizione generale 1 1.3.2. Descrizione funzionale 3 1.3.2.1 Trasduttore di temperatura e circuito di pretrattamento 3 1.3.2.2 Condizionamento del segnale (temperatura) 3 1.3.2.3 Circuito di controllo e regolazione(temperatura) 4 1.3.2.4 Circuito attuatore (temperatura) 4 1.3.2.5 Refrigeratore 4 1.3.2.6 Riscaldatore 4 1.3.2.7 Trasduttore di umidità 4 1.3.2.8 Astabile (umidità) 4 1.3.2.9 Filtro Passa-Basso (umidità) 5 1.3.2.10 Filtro Passa-Alto (umidità) 5 1.3.2.11 Rivelatore di picco (umidità) 5 1.3.2.13 Circuito di condizionamento (umidità) 5 1.3.2.14 Circuito di controllo e regolazione (umidità) 5 1.3.2.15 Circuito attuatore (umidità) 6 I 1.3.2.16 Umidificatore 6 1.3.2.17 Deumidificatore 6 1.3.2.18 Circuito di visualizzazione della temperatura/umidità 6 1.3.2.19 Circuito di alimentazione 6 1.3.2.20 Pannello di monitoraggio e regolazione 6 1.4 Caratteristiche dei componenti 9 CAPITOLO 2 PROGETTAZIONE 10 2.1 Trasduttore di temperatura AD 590 10 2.2 Trasduttore di temperatura AD 590 con circuito di pretrattamento 11 2.3 Circuito di condizionamento 12 2.4 Circuito di controllo e regolazione 16 2.4.1 Progettazione del trigger 1 e trigger 2 16 2.4.2 Circuito che fornisce le tensioni di riferimento ai trigger 1-2 18 2.5 Circuito attuatore per l’accensione del refrigeratore 19 2.6 Circuito attuatore per l’accensione del riscaldatore 20 2.7 Segnalazione del corretto funzionamento del relè perl’accensione del refrigeratore 21 2.8 Segnalazione del corretto funzionamento del relè perl’accensione del riscaldatore 22 2.9 Segnalazione del corretto funzionamento del trigger 1 (refrigeratore) 23 2.10 Segnalazione del corretto funzionamento del trigger 2 (riscaldatore) 24 Schema circuitale del controllo e rilevamento della temperatura 25 2.11 Trasduttore di umidità con pretrattamento 26 2.11.1 Sensore di umidità relativa (RH) 26 2.11.2 Circuito astabile 27 II 2.11.3 Filtro passa-basso 28 2.11.4 Filtro passa-alto 29 2.11.5 Rivelatore di picco 29 2.11.6 Temporizzazioni 30 2.12 Circuito condizionamento umidità 31 2.13 Blocco di controllo e regolazione umidità 35 2.13.1 Progettazione trigger 3 e trigger 4 35 2.13.2 Circuito che fornisce le tensioni di riferimento ai trigger 3-4 37 2.14 Circuito attuatore per l’accensione del deumidificatore 39 2.15 Circuito attuatore per l’accensione dell’umidificatore 41 2.16 Segnalazione del corretto funzionamento del relè per l’accensione del deumidificatore 42 2.17 Segnalazione del corretto funzionamento del relè per l’accensione dell’ umidificatore 43 2.18 Segnalazione del corretto funzionamento del trigger 3 (deumidificatore) 44 2.19 Segnalazione del corretto funzionamento del trigger 4 (umidificatore) 45 Schema circuitale del controllo e rilevamento dell’umidità foglio 1/2 45 Schema circuitale del controllo e rilevamento dell’umidità foglio 2/2 46 2.20 Circuito di visualizzazione (DPM) della temperatura e dell’umidità relativa 47 Schema circuitale per il controllo del DPM 49 CAPITOLO 3 CRITERI DI TARATURA E INSTALLAZIONE DEI SENSORI 50 3.1 Taratura del trasduttore di temperatura 50 3.2 Taratura del trasduttore di umidità 50 3.3 Installazione 50 III CAPITOLO 4 ALIMENTAZIONE 51 4.1 Circuito di alimentazione 51 CAPITOLO 5 CONTROLLO 52 5.1 Pannello di monitoraggio e controllo 52 CAPITOLO 6 COLLEGAMENTI CON LA TEORIA DEI SISTEMI 53 6.1 Sistemi reazionati e regolatori 53 6.2 Regolatori di temperatura e RH 54 LISTA PARTI 55 DATA SHEET 59 Data sheet AD590 60 Data sheet Humidity sensor HC201 68 Data sheet Humidity sensor 233-691-90001 70 Data sheet TL 082 73 Data sheet MNCD4093 99 Data sheet CD4066 105 Data sheet 1N4148 113 Data sheet 2N2222A 120 Data sheet 2N2907 126 Data sheet LM 336 133 Data sheet 7812 142 Data sheet 7912 148 IV CAPITOLO 1 INTRODUZIONE E DESCRIZIONE FUNZIONALE 1.1 SCOPO: Il sistema di controllo e rilevamento permette il controllo e il rilevamento della temperatura e dell’umidità attivando un elemento riscaldatore o di refrigerazione quando la temperatura scende o sale rispetto ad una soglia prefissata, o attivando un elemento deumidificatore o umidificatore quando l’umidità sale o scende rispetto ad una soglia prefissata. La visualizzazione della temperatura e dell’umidità controllata viene effettuata attraverso un DPM (Digital Panel Meter) posizionato in una centralina di controllo e rilevazione posta all’esterno della cella climatizzata. 1.2 L’USO Il sistema di controllo e rilevamento potrà essere impiegato per il controllo e il rilevamento della temperatura e dell’umidità di una camera per la conservazione di derrate alimentari. 1.3 REQUISITI Alimentazione primaria : da rete 220 VCA ± 10% /50 HZ Alimentazione di servizio: +12V ± 0,5 % -12V ± 0,5 % Rilevamento/controllo temperatura : 0 °C ÷ 100 °C Rilevamento/controllo RH : 10% ÷ 90% Carico sugli attuatori : 220 V / 5 A 1.3.1 DESCRIZIONE GENERALE Questo sistema è costituito da : -Una centralina che svolge le funzioni di controllo,regolazione e visualizzazione di parametri controllati attraverso un DPM. La centralina dovrà essere posizionata all’esterno della cella climatizzata, lontano da fonti di calore e al riparo da campi elettromagnetici e umidità. -Un sensore per la rilevazione della temperatura che dovrà essere posizionato all’interno della cella climatizzata.Tale sensore andrà posizionato in modo da non essere influenzato direttamente dagli impianti di riscaldamento e refrigerazione (vedere installazione tipica). -Un sensore per la rilevazione dell’umidità relativa che dovrà essere posizionato all’interno della cella climatizzata. Tale sensore andrà posizionato in modo da non essere influenzato dagli impianti di umidificazione e deumidificazione (vedere schema installazione tipica fig.1). 1 R I S C A L D A T O R E DEUMIDIFICATORE R E F R I G E R A T O R E CS RIF RIG . U M I D I F I C A T O R E T E L ST CENTR. CENTR. ST CS T E L CENTRALINA DI CONTROLLO E REGOLAZIONE SENSORE DI TEMPERATURA SENSORE DI UMIDITÀ TELERUTTORI PER L’ACCENSIONE DEL REFRIGERATORE RISCALDATORE, DEUMIDIFICATORE E UMIDIFICATORE Fig.1 SCHEMA INSTALLAZIONE TIPICA 2 1.3.2 DESCRIZIONE FUNZIONALE Per la descrizione funzionale di questo sistema si fa riferimento allo schema a blocchi(Fig.2). Il sistema è composto da due catene principali, entrambe collegate ad un pannello di monitoraggio. La catena relativa alla rilevazione, controllo e regolazione della temperatura è costituita da un sensore che rileva la temperatura dell’ambiente, il segnale fornito, opportunamente trattato, verrà condizionato da un circuito che permetterà di avere alla sua uscita una tensione proporzionale alla temperatura rilevata, in modo da poter essere visualizzata dal DPM. Successivamente questo segnale, tramite un altro circuito, sarà confrontato con dei livelli di tensione preimpostati che permettono di selezionare le temperature di attivazione e disattivazione degli impianti di riscaldamento e refrigerazione. Questi saranno comandati da teleruttori azionati da relays ad attivazione elettronica. La catena relativa al controllo e regolazione dell’umidità relativa è costituita da un sensore di tipo capacitivo, il quale varia la sua capacità al variare dell’umidità dell’ambiente. La variazione sarà trattata da un circuito che fornirà una tensione corrispondente. Questa variazione di tensione sarà trattata da un altro circuito che permetterà di avere alla sua uscita un segnale da confrontare con dei riferimenti idonei all’ attivazione e alla disattivazione degli impianti di umidificazione e deumidificazione. 1.3.2.1 TRASDUTTORE DI TEMPERATURA E CIRCUITO DI PRETRATTAMENTO Il trasduttore di temperatura impiegato per la rilevazione della temperatura è il circuito integrato AD590 impiegato nel range di temperatura 0 °C a 100 °C. Questo tipo di sensore fornisce una corrente d’uscita proporzionale alla temperatura rilevata e può essere considerato come un generatore di corrente.Per avere in uscita una tensione invece che una corrente si utilizzerà un convertitore corrente/tensione utilizzando una resistenza in serie al sensore e prelevando ai sui capi la d.d.p. corrispondente.Si esegue il pretrattamento della tensione prelevata, amplificandola con un amplificatore operazionale in modo d’ avere una elevata immunità ai disturbi indotti. 1.3.2.2 CONDIZIONAMENTO DEL SEGNALE (TEMPERATURA) Il circuito di condizionamento permette di tarare il range di tensione che si vuole visualizzare sul DPM e di amplificare la differenza esistente tra la tensione fornita dal trasduttore e lo zeroset. Questo circuito è costituito da tre amplificatori operazionali in configurazione IN.A. Tale configurazione è stata preferita perché in fase di taratura ha notevoli vantaggi pratici rispetto ad un normale amplificatore differenziale. 3 1.3.2.3 CIRCUITO DI CONTROLLO E REGOLAZIONE (TEMPERATURA) Questo circuito permette di regolare le temperature per l’attivazione/disattivazione degli impianti di riscaldamento e refrigerazione e fornire il comando di accensione degli impianti stessi. Il circuito è composto da due parti: -la prima fornisce delle tensioni proporzionali alle temperature desiderate; -la seconda parte, costituita da due comparatori con isteresi, confronta queste tensioni con quella fornita dal circuito di condizionamento del segnale (IN.A) e quindi fornisce i comandi di accensione/spegnimento degli impianti. 1.3.2.4 CIRCUITO ATTUATORE (TEMPERATURA) I circuiti attuatori che dovranno essere impiegati sono due ed entrambi sono costituiti da un relè comandato da un transistor (in configurazione diversa) che permetteranno attraverso teleruttori di attivare o disattivare un riscaldatore e un refrigeratore posti all’interno della stanza. 1.3.2.5 REFRIGERATORE É il dispositivo che dovrà rinfrescare la camera quando la temperatura salirà al di sopra di quella preimpostata. Il refrigeratore dovrà essere posizionato in modo tale da non influenzare la rilevazione del sensore di temperatura e di umidità. 1.3.2.6 RISCALDATORE È il dispositivo che dovrà riscaldare la camera se la temperatura scende al disotto di quella reimpostata. Il riscaldatore dovrà essere posizionato in modo tale da non influenzare la rilevazione del sensore di temperatura e di umidità. 1.3.2.7 TRASDUTTORE DI UMIDITÀ Il sensore che viene impiegato per la rilevazione dell’umidità è HC201 della E+E ELEKTRONIC, questo sensore è di tipo capacitivo. La sua capacità aumenta all’aumentare dell’umidità relativa dell’ambiente in cui è posizionato. 1.3.2.8 MULTIVIBRATORE ASTABILE (UMIDITÀ) E’ il circuito costituito da un AMPLIFICATORE OPERAZIONALE in configurazione astabile con il sensore di umidita' che fornisce la capacita' da cui dipende la durata dei livelli alti e bassi di tensione circa uguali a +Vcc e -Vcc (+10.5 e -10.5) . 4 1.3.2.9 FILTRO PASSA-BASSO (UMIDITÀ) Il circuito, costituito da una resistenza e da un condensatore, ha l'uscita che raggiunge un livello massimo che dipende dalla costante di tempo RC e dalla durata della semionda positiva, e quindi dal valore di Cs. Il valore sara' tanto piu' alto quanto piu' e' grande Cs e quindi quanto piu' e' grande RH. 1.3.2.10 FILTRO PASSA-ALTO (UMIDITÀ) Il circuito, costituito da una resistenza e da un condensatore, serve per filtrare la sola componente alternata dell'uscita del passa-basso, eliminando l'eventuale componente continua. 1.3.2.11 RIVELATORE DI PICCO (UMIDITÀ) E’ un circuito costituito da un diodo e un condensatore che rileva il massimo valore dell'uscita del filtro passa-alto in modo da ottenere un valore di tensione continua dipendente da RH. 1.3.2.13 CIRCUITO DI CONDIZIONAMENTO (UMIDITÀ) Il circuito di condizionamento permette di tarare il range di tensione che si vuole visualizzare sul DPM e di amplificare la differenza esistente tra la tensione fornita dal trasduttore e lo zeroset. Questo circuito è costituito da tre amplificatori operazionali in configurazione IN.A. Tale configurazione è stata preferita perché in fase di taratura ha notevoli vantaggi pratici rispetto ad un normale amplificatore differenziale. 1.3.2.14 CIRCUITO DI CONTROLLO E REGOLAZIONE (UMIDITÀ) Questo circuito permette di regolare i valori di umidità relativa per l’attivazione/disattivazione degli impianti di deumidificazione e umidificazione e fornire il comando di accensione degli impianti stessi. Il circuito è composto da due parti: la prima fornisce delle tensioni proporzionali ai valori di umidità relativa desiderati; la seconda parte, costituita da due comparatori con isteresi, confronta queste tensioni con quella fornita dal circuito di condizionamento del segnale (IN.A) e quindi fornisce i comandi di accensione/spegnimento degli impianti. 5 1.3.2.15 CIRCUITO ATTUATORE (UMIDITÀ) I circuiti attuatori che dovranno essere impiegati sono due entrambi costituiti da un relè comandato da un transistor (in configurazione diversa) che permetteranno attraverso teleruttori di attivare o disattivare un umidificatore e un deumidificatore posti all’interno della stanza. 1.3.2.16 UMIDIFICATORE É il dispositivo che dovrà umidificare la camera quando l’umidità scende al disotto di quella preimpostata. L’umidificatore dovrà essere posizionato in modo tale da non influenzare la rilevazione del sensore di umidità. 1.3.2.17 DEUMIDIFICATORE É il dispositivo che dovrà deumidificare la camera quando l’umidità salirà al di sopra di quella preimpostata. Il deumidificatore dovrà essere posizionato in modo tale da non influenzare la rilevazione del sensore di umidità. 1.3.2.18 CIRCUITO PER LA VISUALIZZAZIONE DELLA TEMPERATURA / UMIDITÀ Questo circuito permette alternativamente la visualizzazione automatica su un DPM (Digital Panel Meter) ogni 4 secondi della temperatura o dell’umidità relativa rilevata all’interno della camera climatizzata, impiegando un CI 4066 (TECNOLOGIA CMOS) costituito da 4 switch analogici a comando digitale e una NAND con ingresso triggerato 1.3.2.19 CIRCUITO DI ALIMENTAZIONE È il circuito che alimenta l’intero circuito di rilevazione e controllo della temperatura e dell’umidità relativa.Questo circuito è costituito da un alimentatore duale che preleva l’alimentazione dalla rete 220 V/50HZ e fornisce in uscita una tensione duale di +12 V e –12 V e una max corrente di 1 A. Il circuito di alimentazione dovrà essere posizionato a fianco della centralina di controllo e regolazione per evitare che il calore sviluppato da questo possa influenzare il corretto funzionamento di tutto il sistema di controllo e regolazione. 1.3.2.20 PANNELLO DI MONITORAGGIO E REGOLAZIONE Questo panello è parte integrante della centralina di monitoraggio e controllo, dove troviamo i dispositivi per il monitoraggio e la regolazione della temperatura e dell’umidità relativa controllata e i dispositivi per il corretto funzionamento del circuito. 6 Refrigerazione Trasduttore °C di temperatura e pretrattamento Condizionamento del segnale Controllo e regolazione Circuito attuatore Riscaldamento 12V 220V Alimentatore Pannello di monitoraggio GND e controllo -12V Deumidificatore RH Trasduttore di umidità RH e pretrattamento Condizionamento del segnale Controllo e regolazione Attuatore Umidificatore Fig.2 SCHEMA A BLOCCHI 7 R Cs Filtro PBasso Astabile Filtro PAlto Rivelatore di picco DPM + CONTROLLO 0 REG F.S. SET + INA TRASDUTTORE RH + PRETRATTAMENTO Umidificatore Circuito attuatore Controllo e regolazione 0 (ZERO SET) VR Deumidificatore CONDIZIONAMENTO DEL SEGNALE Fig. 3 SCHEMA A BLOCCHI DELLA LINEA DI CONTROLLO DELL’UMIDITÀ 8 1.4 CARATTERISTICHE COMPONENTI 1.4.1TRASDUTTORE DI TEMPERATURA (AD 590): Vedere data sheet allegato 1.4.2 SENSORE DI UMIDITÀ (HC201) Vedere data sheet allegato 1.4.3 AMPLIFICATORE OPERAZIONALE (TL082) : Vedere data sheet allegato 1.4.4 CIRCUITO INTEGRATO (CD 4093) : Vedere data sheet allegato 1.4.5 CIRCUITO INTEGRATO (CD 4066) : Vedere data sheet allegato 1.4.6 DIODO (1N4148): Vedere data sheet allegato 1.4.7 TRANSISTOR (2N2222): Vedere data sheet allegato 1.4.8 TRANSISTOR (2N2907A): Vedere data sheet allegato 1.4.9 CIRCUITO INTEGRATO (LM 336): Vedere data sheet allegato 1.4.10 CIRCUITO INTEGRATO (7812): Vedere data sheet allegato 1.4.11 CIRCUITO INTEGRATO (7912): Vedere data sheet allegato 9 CAPITOLO 2 PROGETTAZIONE 2.1 TRASDUTTORE DI TEMPERATURA AD 590 Vcc CIRCUITO EQUIVALENTE DEL AD590 Il trasduttore di temperatura AD590 è un sensore di tipo integrato in grado di erogare una corrente proporzionale alla temperatura assoluta e si può considerare come un generatore di corrente.Volendo però delle variazioni di tensioni proporzionali alla variazione di temperatura si inserirà in serie al generatore di corrente una resistenza R che fungerà da convertitore corrente/ tensione. Ix Vs' R Per Ix=0 si ha: VsI=R*I=R*KT Vsl è proporzionale alla temperatura T tramite la costante KR Campo d’impiego: 0 °C a 100 °C All’intervallo di temperatura facciamo corrispondere : 0 °C = 0V ; 100 °C = 10V 10 2.2 TRASDUTTORE DI TEMPERATURA AD590 CON CIRCUITO DI PRETRATTAMENTO: +Vcc I VS' 8 3 1 + - 2 4 Vs -Vee R2 R1 R3 GND Av = Guadagno dell’amplificatore operazionale non invertente (TL082) Si fissa R1 = 1 K (questa resistenza ha funzione di convertitore corrente/ tensione) Av = 10 R2 R3 AV 1 Av - 1 = 10 – 1 = R2 R3 R2 R3 R2 =9 R3 Fisso R3 = 1 K R2 = 9 R3 = 9 * 1*103 = 9 K 11 CALCOLO DEL RANGE DI Vs: I per T = 0 °C (cioè 273,2 °K) vale 273,2 A VSI = R1* I = 103*273,2*10 -6 = 273,2*10 –3 V = 273,2 mV Per T = 100 °C (cioè 373,2 °K) si ha I = 373,2 A VS I =R1 * I = 103*373,2*10 -6 = 373,2*10 –3 V = 373,2 mV V Poiché VS dovrà essere 10 SI (dovuto al pretrattamento) 298,2 mV si ottiene: 0 °C VSI 100 °C = 273,2 mV VS = VSI 2,732 V = 373,2 mV VS = 3,732 V quindi con T = 100 °C – 0 °C si ha VS = 1V 2.3 CIRCUITO DI CONDIZIONAMENTO : Dal circuito di condizionamento del segnale si deve avere un range di tensione 0 10 V in corrispondenza del range di temperatura 0 100 °C, cioè un V =10 V (a partire da 0 V). All’ ingresso di questo blocco c’è un range di tensione 2,732 3,732 V (sempre in corrispondenza del range di temperatura 0 100 °C), quindi un V =1 V a partire da 2,732. R5 +Vcc R4 Vs Voffset 8 3 + R6 2 1 - VOT 4 -VEE R7 Voffset = 2,732 V (la tensione fornita dall’assieme di rilevazione della temperatura a 0 °C) 12 Il guadagno differenziale è : Ad = Vo 10 Vi 1 10 Poiché in sede di taratura bisogna regolare il guadagno per avere esattamente 2,5 V in corrispondenza di 25 °C, bisognerebbe prevedere la presenza di un potenziometro doppio nella coppia di resistenza R4, R6.Essendo noto che la linearità e l’accuratezza del tracking di due potenziometri (di normale commercializzazione) non è molto soddisfacente, conviene optare per un amplificatore differenziale con guadagno regolabile tramite una sola resistenza, questo requisito è soddisfatto dall’IN.A (utilizzando N° 3 TL 082). +Vcc (-) 8 3 V offset R + - 2 R 1 -Vee 4 ee 3 2 R 1 VOT + R RG 8 - -V 4 +Vcc -Vee 8 6 7 + Vs R (+) 5 4 -Vee INA R VOT = tensione associata alla temperatura rilevata dal trasduttore (VO termica) Ad = amplificazione differenziale VOT = 010 V (0°100 °C) 13 Ad = 1 RG = 2R RG 2R Ad 1 Per avere un buon CMRR bisogna che le resistenze “R” siano di valore uguale e con una bassa tolleranza. Si pone R = RG = 2R Ad 1 10 K = 2 * 10 * 103 2 * 10 * 103 = 10 - 1 9 = 2,22 K Per avere un guadagno regolabile intorno al valore Ad = 10, si scompone RG in una parte fissa (R4 = 1,5 K) ed una parte variabile (P1 = 1 K ) in modo da centrare agevolmente il valore teorico 2,22 K ed inoltre si può compensare l’errore introdotto dal guadagno del pretrattamento (dovrebbe essere esattamente 10). R4 P1 RG= R4 + P1 14 Vcc=12V R5 A Voffset 3,5V P2 B 2V R6 La tensione di riferimento per l’offset dovrebbe essere immune da derive termiche (altrimenti si introduce un errore assoluto sulla lettura della temperatura).Se si utilizza il normale circuito integrato (LM7812) la suddetta condizione non è soddisfatta quindi bisognerebbe impiegare un “VOLTAGE REFERENCE” stabilizzato termicamente per esempio LM 336. Ad ogni modo (per motivi didattici) si decide di utilizzare un partitore di tensione composto da due resistenze e un potenziometro. Si decide di poter prelevare con P2 = 1 K una VOFFSET = 2 3,5 V. Poiché la d.d.p su P2 è 1,5 V [(3,5-2 )V] si ha nel partitore I = V 1,5 1,5 *10 3 1,5mA P2 1*103 VR6 = 2 V VR5 = Vcc – 3,5 =12 – 3,5 = 8,5 V R6 = VR6 2 = = 1,33 K (1,2 K ) I 1,5 *103 R5 = VR5 8,5 = = 5,67 K (5,6 K ) I 1,5 *103 15 2.4 CIRCUITO DI CONTROLLO E REGOLAZIONE VTL1 e VTH1 sono riferite al refrigeratore (trigger 1) VTL2 e VTH2 sono riferite al riscaldatore (trigger 2) VOT = tensione fornita dal INA proporzionale alla temperatura fornita dal trasduttore Per T > 26 °C (VOT > VTH1) si deve attivare il refrigeratore Per T < 24 °C (VOT < VTL1) si deve spegnere il refrigeratore Per T > 24 °C (VOT > VTH2) si deve spegnere il riscaldatore Per T < 22 °C (VOT < VTL2) si deve accendere il riscaldatore 2.4.1 PROGETTAZIONE DELTRIGGER 1 E TRIGGER 2 VH1 = VTH1 - VTL1 = 2,6 – 2,4 = 0,2 V (cioè 2 °C d’isteresi ) V = 21 V R7 V H 1 si ha : R7 R8 V1 VH 1 0,2 R7 = = 1 21 V1 R7 R8 Sapendo che = Per soddisfare la 1: Si dimensiona la resistenza R7 = 0,2 K (220 ) 16 Si dimensiona la resistenza R8 = 20,8 K (22 K ) +VCC VOT 8 2 1 + 3 V1 4 -Vee R8 R7 VR1 TRIGGER 1 Essendo il trigger di tipo invertente si avrà: per VOT > VTH1 si ha V1 =VL1 Refrigeratore attivato per VOT < VTL1 si ha V1 =VH1 Refrigeratore spento Essendo l’isteresi VH2 per il trigger 2 uguale VH1, il secondo trigger è identico al primo (ovviamente con VR2 VR1 ) . +VCC VOT 8 6 7 + 5 V2 4 -Vee R9 R10 VR2 TRIGGER 2 Per VOT > VTH2 si ha V2 = VL2 Riscaldatore spento Per VOT < VTL2 si ha V2 = VH2 Riscaldatore acceso 17 2.4.2 CIRCUITO CHE FORNISCE LE TENSIONI DI RIFERIMENTO AI TRIGGER 1 –2 Una volta fissato il valore della temperatura desiderata tramite P3, i diodi D1 e D2 forniscono uno shift positivo e negativo per ottenere VR1 e VR2 (per esempio, fissando con P3 la temperatura di 24 °C (cioè di 2,4 V) ed assumendo per i diodi (opportunamente polarizzati con R 12 e R13 una d.d.p di 0,7 V, avrò VR1 = +2,5 V e VR2 = +2,3). Si fissa P3 = 10 K e si vuole ai suoi capi una d.d.p VP3 =4 V (si deve poter scegliere una temperatura da 0 °C a +40 °C). I VP 3 4,0 0,4 mA P3 10 * 103 R11 = VCC vP3 I 12 4,0 20 k (22 k ) 0,4 *103 IP = 10 mA (Per una buona polarizzazione dei diodi) Con IP = 10 mA è VF 0,7 V 18 VCC VF 12 0,7 1,13 K (1,2 k ) IP 10 *10 3 R12 =R13 = fisso IpI = 1 mA dovendo essere VR15 = VR16 = 0,1 V si ha : VR14 = VR17 = 0,6 V R15 = R16 = 0,1 0,1 K (100) 1*10 3 R14 = R17 = 0,5 0,6 K (560) 1*10 3 2.5 CIRCUITO ATTUATORE PER L’ACCENSIONE DEL REFRIGERATORE +Vcc +VCC R22 VOT 2 + 3 V1 1 8 4 D3 U4A R18 TR1 -Vee R20 Refrigeratore K1 LP1 R8 R7 D5 VR1 LED1 ATTUATORE 1 TRIGGER 1 V1 = uscita del trigger 1 VH1 = uscita alta del trigger1 Il diodo zener D3 è di piccola potenza che dà la tensione che serve quando è polarizzato inversamente.Quando viene polarizzato direttamente è come se fosse un normale diodo con V F 0,6 V. Il diodo zener conduce se polarizzato inversamente oltre la tensione di zener e fornisce una tensione fissa, ma si può variare la corrente.Con V 1 =VH1 (10,5 V) il transistor deve essere interdetto (cioè VBE non deve essere polarizzata direttamente).Se non ci fosse il diodo zener, VH1 sarebbe ancora in grado di polarizzare direttamente la giunzione BE. Inserendo in serie alla base un diodo zener con VZ>1,5V (VCC-VH1=1,5 V), per esempio VZ = 4,7 V, quando V1 = VH1 il diodo zener non conduce perchè la tensione di polarizzazione è minore di VZ e quindi R18 risulta “volante”, IB = 0 e il transistor risulta interdetto. La resistenza R22 serve per chiudere la giunzione BE quando il transistor è interdetto e si calcola in modo che la sua corrente sia trascurabile 19 VBESAT ) oppure se ne tiene conto. Essendo il transistor R22 complementare a quello che è utilizzato nel circuito dell’attuatore per l’accensione del riscaldatore (cioè 2N2907A), si ha * = 40 e I BSAT = 0,5 mA . quando il transistor è saturo ( I = Ponendo R22 = 10 K IR22 = VBESAT 0,7 R22 10 *103 =0,07 mA IR18 = IBSAT + IR22 = ( 0,5 + 0.07)*10-3 = 0,57 mA 0,6 mA Quando V1= VL1 -10,5 la d.d.p sulla serie D3, R18,R22 è: V = VCC – VL1= 12-(-10,5) = 22,5 V VR18 = V – VBESAT – VZ = 22,5 – 0,7 – 4,7 = 17,1 V R18 = V18 17,1 28,5 K (27 K) I R18 0,6 *10 3 Per la scelta di R18 bisogna scegliere un valore standard in difetto per avere una sicura saturazione. 2.6. CIRCUITO ATTUATORE PER L’ACCENSIONE DEL RISCALDATORE +Vcc +V 8 6 VOT CC 7 + 5 V2 D4 R19 U4B K2 TR2 4 LP2 Riscaldatore R23 -Vee R21 R10 R9 D6 VR2 LED2 ATTUATORE 2 TRIGGER 2 V2 = uscita trigger 2 VF = caduta di tensione ai capi del diodo VH2 = uscita trigger 2 I CSAT 20 *103 I BSAT * 0,5 mA 40 ICSAT = 20 mA 20 VR19 = VH2 - V F - VBESAT = 10,5- 0,6 – 0,7 = 9,2 V V 9,2 R19 = R19 18,4 K (18 K) I BSAT 0,5 *10 3 R23 = 10 K e la sua corrente quando c’è la VBESAT, si può considerare trascurabile Il diodo D4 è un diodo interruttore che quando l’uscita dell’U4B (TRIGGER 2) assume valore negativo D4 si interdice e la base di TR2 è riferita a massa con R23 e quindi TR2 si interdice. 2.7 SEGNALAZIONE DI CORRETTO FUNZIONAMENTO DEL RELÈ PER L’ACCENSIONE DEL REFRIGERATORE LP1 REFRIGERATORE N.A. Con apparecchiatura spenta si ha il bulbo al neon LP1 acceso (ON) e il relativo comando proveniente dal trigger 1 ( V1) è a livello alto (VH1). Con apparecchiatura accesa si ha il bulbo al neon LP1 spento (OFF) e il relativo comando proveniente dal trigger 1 ( V1) è a livello basso (VL1). 21 2.8 SEGNALAZIONE DI CORRETTO FUNZIONAMENTO DEL RELÈ PER L’ACCENSIONE DEL RISCALDATORE LP2 RISCALDATORE N.A. Con apparecchiatura spenta si ha il bulbo al neon LP2 acceso (ON) e il relativo comando proveniente dal trigger 2 (V2) è a livello basso (VL2). Con apparecchiatura accesa si ha il bulbo al neon LP2 spento (OFF) e il relativo comando proveniente dal trigger 2 ( V2) è a livello alto (VH2). 22 2.9 SEGNALAZIONE DEL CORRETTO FUNZIONAMENTO DEL TRIGGER 1 (REFRIGERATORE) La segnalazione del corretto funzionamento del trigger avviene attraverso il diodo LED 1. Le condizioni di V1 (uscita dal trigger 1) sono due alto e basso. Ricordando che la tensione di BREAKDOWN inversa del LED è di 3-4V , si inserisce il diodo di protezione D5( polarizzato in modo opposto al LED). Per il calcolo di R20 si assume : IF = 5mA, VF 2V R20 = VH1 +10,5V VH 1 VF 10,5 2 8,5 1,7 *103 1,7 K (1,8 K) 3 3 IF 5 *10 5 *10 Sul pannello di monitoraggio e controlllo devono essere disposti affiancati il LED 1(relativo al corretto funzionamento del trigger 1) ed LP1 (lampadina al neon relativa al corretto funzionamento del relè). Quando il comando V1 è associato al refrigeratore spento si ha : V1 = V H1 , LED1 acceso, relè diseccitato e LP1 acceso Quando invece il refrigeratore si deve accendere si ha: V1 = VL1 , LED 1 spento, relè eccitato e LP1 spento +VCC VOT 2 + 3 8 4 V1 1 U4A TO ATTUATORE 1 -Vee R20 R8 R7 D5 LED1 VR1 TRIGGER 1 23 2.10 SEGNALAZIONE DEL CORRETTO FUNZIONAMENTO DEL TRIGGER 2 (RISCALDATORE) La segnalazione del corretto funzionamento del trigger avviene attraverso il diodo LED 2. Le condizioni di V1 sono due alto e basso. Ricordando che la tensione di BREAKDOWN inversa del LED è di 3-4V , si inserisce il diodo di protezione D6( polarizzato in modo opposto al LED). Per il calcolo di R21 si assume : IF = 5mA, VF 2V VH2 +10,5V R21 = VH 2 VF 10,5 2 8,5 1,7 *103 1,7 K (1,8 K) 3 3 IF 5 *10 5 *10 Sul pannello di monitoraggio e controlllo devono essere disposti affiancati il LED 2 ed LP2 (lampadina al neon): Quando il comando V2 è associato al riscaldatore spento si ha : V2 = VH2 , LED2 acceso, relè diseccitato e LP2 acceso Quando invece il riscaldatore si deve accendere si ha: V2 = VL2 , LED 2 spento, relè eccitato e LP2 spento +V 8 6 VOT CC + 5 V2 7 TO ATTUATORE 2 U4B 4 -Vee R21 R10 R9 D6 VR2 LED2 TRIGGER 2 24 SCHEMA CIRCUITALE DEL CONTROLLO E RILEVAMENTO DELLA TEMPERATURA +Vcc R22 R5 2 2V R + - 2 U2A R 1 +Vcc P1 2 R + + - 4 5 U1 -V R2 5 B To DPM CC D4 7 U4 4 -V R19 Riscaldatore K2 TR2 B LP2 R23 ee R21 ee R10 R3 R9 D6 +Vcc LED2 R12 +V R14 D1 8 + 5 4 3 4 U5A -Vee 7 - P3 R15 +V U3B R16 -Vee 6 D2 R17 cc 8 + 6 cc 1 7 - +V 2,5V cc 8 + R11 2 - R1 8 6 R -Vee +Vcc U2 7 4 LED1 +V ee R - 1 D5 U3A 1 -V 8 6 LP1 R8 - 8 Refrigeratore K1 4 +Vcc +Vcc + 3 R R4 R20 R7 8 ee TR1 - R6 R18 U4A -Vee 4 -V 4 D3 1 + 8 3 + 3 P2 2 8 - 3,5V 3 +Vcc +VCC +Vcc 5 4 U5 B -Vee R13 -Vee 25 2.11 TRASDUTTORE DI UMIDITÀ CON PRETRATTAMENTO: Il trasduttore di umidità impiegato per la rilevazione dell’ umidità è il della E+E ELEKTRONIC mentre per pretrattare il segnale proveniente dal sensore si utilizzeranno i seguenti circuiti: Multivibratore astabile come generatore di onda quadra (duty cicle =50%) , filtro passa-basso RC, filtro passa-alto RC, rivelatore di picco (diodo-condensatore). 2.11.1 SENSORE DI UMIDITÀ RELATIVA (RH): Il sensore impiegato come sensore di umidità è di tipo capacitivo (Mod HC201), la sua capacità aumenta all’aumentare dell’umidità relativa dell’ambiente in cui si trova. Cs = capacità del sensore Cs = 185 pF con RH = 50% misurata in un circuito con f = 20 KHz Frequenza operativa: f = 10-100 KHz VMAX = 5 V Se consideriamo la caratteristica del sensore idealmente lineare, possiamo disegnarla con i dati forniti dal costruttore in un piano cartesiano con % RH in ascisse e Cs in ordinate, la retta deve passare per il punto P corrispondente a Cs = 185 pF e RH = 50 %. Cs 205 185 ------------------- 165 155 10 50 90 % RH 26 2.11.2 MULTIVIBRATORE ASTABILE: R24 3 2 + +Vcc U4A 5 1 6 - 8 8 +Vcc U4B + 7 Va - Cs 4 4 R25 -Vcc -Vcc R26 Il multivibratore astabile e' realizzato con un amplificatore operazionale la cui uscita deve oscillare tra i valori di alimentazione +Vcc e -Vcc (a meno di circa 1,5 V ). Ponendo R25 =10 KΩ R26=1 KΩ per avere una variazione di 2 V su Cs, che pre RH=50% vale 185 pF. DC = TH 50% T Vth Vtl Cs=185 pF R26 Voh 1 V R25 R26 VOH =-VOL =10,5 V TH =TL = 25 sec TH 1 ln R24Cs VTL VOH R ln( 1 2 26 ) 0,182 VTH VOH R25 TH 25 106 25 106 R24 741K 0,182 0,182 0,182 185 1012 Al variare di RH la durata del fronte positivo TH dipendera’ dal valore di Cs nel seguente modo: TH 741 103 CS 0,182 I valori di CS e TH saranno : 165 pF 175 pF 185 pF 195 pF 205 pF RH 10% RH 30% RH 50% RH 70% RH 90% TH=22 µs TH=23,6 µs TH=25 µs TH=26,3 µs TH=28 µs All’uscita dell’astabile si inserisce un buffer, sempre realizzato con Amplificatore Operazionale, per evitare che i circuiti a valle influiscano sulla costante di tempo di carica e scarica del condensatore influenzando il DC che puo’ divenire diverso dal 50%. 27 2.11.3 FILTRO PASSA-BASSO Va R27 Vf C1 Il filtro R27 C1 fa in modo che la tensione massima Vf dipenda dalla durata di T H in base alla seguente relazione: Vf VOH 1 e 1 e TH TH Scegliendo τ=160µs (circa sei volte superiore a T H per avere una carica pressoche’ lineare del condensatore) si pone C1=0,1 µF e R27=1,6 KΩ Applicando la formula precedente per i diversi valori di RH si ottiene: RH 10% TH=22 µs Vf=721 mV RH 30% TH=23,6 µs Vf=773 mV RH 50% TH=25 µs Vf=818 mV RH 70% TH=26,3 µs Vf=861 mV RH 90% TH=28 µs Vf=916 mV Si ottiene cosi’ un legame quasi lineare tra la Vf e RH. Con i valori di R27 e C1 si ottiene una frequenza di taglio di circa 10 KHz in modo che la frequenza dell’astabile per RH=50% si possa considerare sul tratto lineare della risposta in frequenza del filtro, essendo pari a 20 KHz, dando luogo ad una risposta del tipo rappresentato nella figura (dove si considera un segnale di tipo sinusoidale) : 28 Vf/Va Ft 10 RH 90% 50% 10% 18 20 22 KHz 2.11.4 FILTRO PASSA-ALTO Vf C2 R28 Dopo il filtro passa-basso e prima del rivelatore di picco si pone un filtro passa-alto per bloccare l’eventuale componente continua dovuta al DC diverso dal 50%. Si considera una frequenza di taglio di circa 1 KHz, dato che la frequenza di oscillazione dell’astabile e’ circa 20 KHz; per semplificare i calcoli si considera che i due filtri siano separati da un buffer in modo che le due frequenze di taglio (10 KHz e 1 KHz) si possano calcolare per i singoli circuiti. Si pone: R28=1,6 KΩ C2=1 µF In questo modo si filtrera’ solo la componente alternata bloccando la componente continua. 29 2.11.5 RIVELATORE DI PICCO Vf Vr D7 C3 Come rivelatore di picco si utilizza un semplice diodo D7 collegato ad un condensatore elettrolitico C3 di capacita’ 1 µF; la sua uscita Vr sara’ inferiore a Vf di circa 0,7 V assumendo i seguenti valori: RH 10% RH 30% RH 50% RH 70% RH 90% Vf=721 mV Vr=21 mv Vf=773 mV Vr=73 mv Vf=818 mV Vr=118 mv Vf=861 mV Vr=161 mv Vf=916 mV Vr=216 mv 30 2.11.6 DIAGRAMMI TEMPORALI CIRCUITERIA SENSORE DI UMIDITÀ Va Voh VCs Vth Vtl Vol Th Va Tl Va Voh Vf Vr Vfmax Vfmin Vol Th Va 31 2.12 CIRCUITO DI CONDIZIONAMENTO (UMIDITÀ) La variazione di VR e' di circa 200 mV per una variazione di RH dal 10% al 90% (80). Poiche' si vuole ottenere una variazione di tensione V RH di 8 V (1-9 V) dopo l'amplificazione, il guadagno Ad dell'amplificatore IN.A. deve essere uguale a 40. +Vcc (-) VR 3 2 8 R' + - 1 4 -V R'G R' +V ee 3 ' - 8 CC 1 + R 2 ' R V RH 4 -Vee +V CC 8 VOffset (+) 6 ' 7 - R + 5 4 -V vRH R' INA ee Ad vo + (0 V) Voffset 32 Voffset = tensione di riferimento RG’ = serve per regolare il fondo scala Ad = guadagno differenziale Si avra' : Ad 1 2 R' R38 P5 Si sceglie percio' un rapporto : Ad 1 2 R' 40 R38 P5 E di conseguenza: R'=10 KΩ R38+P5=500 Ω R38=200 Ω P5=500 Ω In questo modo si avra' un valore di Ad che varia da 100 (P5=0) a 30 (P5=500) e in uscita avremo i seguenti valori di VRH: RH=50% RH=30% RH=70% VRH =118mVx40=4,72 V VRH =73mVx40=2,92 V VRH =161mVx40=6,44 V R38 RG P5 Agendo su P5 si puo' ottenere la regolazione fine del guadagno, agendo su P 4 si puo' variare la tensione di riferimento intorno a 0 V (che corrisponde a RH=0%); infatti su P 4 si avra' una tensione di 1 V (da -0,5 V a +0,5 V) che potra' essere regolata per la taratura dello strumento. La tensione di riferimento per l’offset dovrebbe essere immune da derive termiche (altrimenti si introduce un errore assoluto sulla lettura dell’umidità relativa).Se si utilizza il normale circuito integrato (LM7812) la suddetta condizione non è soddisfatta quindi bisognerebbe impiegare un “VOLTAGE REFERENCE” stabilizzato termicamente per esempio LM 336. Ad ogni modo (per motivi didattici) si decide di utilizzare un partitore di tensione composto da due resistenze e un potenziometro. 33 Si otterranno i valori previsti ponendo: R36 =R37 =11,5 KΩ P4 = 1 KΩ +Vcc - R36 +0,5V VOFFSET P4 -0,5V R37 -Vcc In conclusione avremo: Cs= sensore di RH Astabile= trasduttore di RH Filtri+rivelatore di picco= Pretrattamento Amlificatore IN.A.= Condizionamento del segnale Il trasduttore di RH e' formato dal sensore Cs inserito in un astabile (trasduttore RH f) seguito dai filtri e dal rivelatore di picco, che effettuano il pretrattamento del segnale. L'amplificatore IN.A. porta il segnale al livello desiderato (condizionamento) per la visualizzazione ed il controllo di RH. 34 2.13 BLOCCO DI CONTROLLO E REGOLAZIONE DELL’UMIDITÀ RH 50% 45% 40% 35% 30% V V 4,2V 5V VTH3 4,1V 4,5V 4,2V 4V 3,8 4V VR3-TRIGGER 3 VTH4=VTL3 3,9V 3,5V 3,8V 3V VR4-TRIGGER 4 VTL4 VTL3 e VTH3 sono riferite al deumidificatore (trigger 3) VTL4 e VTH4 sono riferite all’ umidificatore (trigger 4) VRH = tensione fornita dal IN.A proporzionale alla RH fornita dal circuito di pretrattamento Per RH > 42% (VORH > VTH3) si deve attivare il deumidificatore Per RH < 40% (VORH < VTL3) si deve spegnere il deumidificatore Per RH > 40% (VORH > VTH4) si deve spegnere l’umidificatore Per RH < 38% (VORH < VTL4) si deve accendere l’umidificatore 2.13.1 Progettazione Trigger 3 e Trigger 4 VH3 = VTH3 - VTL3 = 4,2 – 4 = 0,2 V (cioè 2 % d’isteresi ) V3 = 21 V Sapendo che = R47 V H 3 si ha : R47 R48 V3 VH 3 0,2 R47 = = 21 V3 R47 R48 1 Per soddisfare la 1: Si dimensiona la resistenza R47 = 0,2 K (220 ) Si dimensiona la resistenza R48 = 20,8 K (22 k ) 35 VCC VORH 8 2 1 + 3 V 3 4 Vee R48 R47 VR3 TRIGGER 3 Essendo il trigger di tipo invertente si avrà: per VORH > VTH3 si ha V3 =VL3 Deumidificatore attivato per VORH < VTL3 si ha V3 =VH3 Deumidificatore spento Essendo l’isteresi VH4 per il trigger 4 uguale VH3 , il secondo trigger è identico al primo (ovviamente con VR4 VR3 ) . R49 = 220 VORH 8 6 7 - 5 TRIGGER 4 + R53 = 22 K VCC V 4 4 Vee per VORH > VTH4 si ha V4 =VL4 Umidificatore attivato R49 R53 VR4 per VRH < VTL4 si ha V4 =VH4 Umidificatore spento 36 2.13.2 CIRCUITO CHE FORNISCE LE TENSIONI DI RIFERIMENTO AI TRIGGER 3 –4 Una volta fissato il valore dell’umidità relativa desiderata tramite P6, i diodi D15 e D16 forniscono uno shift positivo e negativo per ottenere V R3 e VR4 (per esempio, fissando con P6 l’umidità relativa del 50% (cioè di 5 V) ed assumendo per i diodi opportunamente polarizzati con R39 e R45 una d.d.p di 0,7 V, avrò VR3 = +5,1 V e VR4 = +4,9 V. VR40 = 4 V VR46 = 4 V VP 6 = 4 V Si fissa P6 = 10 k e si vuole ai suoi capi un d.d.p VP6 = 4 V (si deve poter scegliere un valore di umidità relativa da 40% 80% I= VP 6 4 0,4 mA P6 10 * 103 R40 v40 4 10 K I 0,4 *10 3 R46 = VRB 4 10 K I 0,4 *10 3 37 IP = 10 mA (Per una buona polarizzazione dei diodi) Con IP = 10 mA è VF 0,7 V R39 =R45 = VCC VF 12 0,7 1,13 K (1,2 k ) IP 10 *10 3 fisso IpI = 1 mA dovendo essere VR42 = VR43 = 0,1 V si ha : VR41 = VR44 = 0,6 V R42 = R43 = 0,1 0,1 K (100) 1*10 3 R41 = R44 = 0,6 0,6 K (560) 1*10 3 38 2.14 CIRCUITO ATTUATORE PER L’ACCENSIONE DEL DEUMIDIFICATORE +Vcc +Vcc R52 2 VRH + 3 8 4 V3 1 D17 U12A R51 TR5 -Vee R50 K3 R48 Deumidificatore LP3 R47 D18 LED3 VR3 TRIGGER 3 ATTUATORE 3 V3 = uscita del trigger 3 VH3 = uscita alta del trigger 3 Il diodo zener D17 è di piccola potenza che da la tensione che serve quando è polarizzato inversamente. Quando viene polarizzato direttamente è come se fosse un normale diodo con VF 0,6 V. Il diodo zener conduce se polarizzato inversamente oltre la tensione di zener e fornisce una tensione fissa, ma si può variare la corrente.Con V 3 =VH3 (10,5 V) il transistor deve essere interdetto (cioè VBE non deve essere polarizzata direttamente).Se non ci fosse il diodo zener VH3 sarebbe ancora in grado di polarizzare direttamente la giunzione BE. Inserendo in serie allla base un diodo zener con V Z>1,5V (VCC-VH3=1,5 V), per esempio VZ = 4,7 V, quando V3 = VH3 il diodo zener non conduce perchè la tensione di polarizzazione è minore di VZ e quindi R51 risulta “volante”, IB = 0 e il transistor risulta interdetto. La resistenza R52 serve per chiudere la giunzione BE quando il transistor è interdetto e si calcola in modo V che la sua corrente sia trascurabile quando il transistor è saturo ( I = BESAT ) oppure se ne R52 tiene conto. Essendo il transistor complementare a quello che è utilizzato nel circuito dell’attuatore per l’accensione del riscaldatore (cioè 2N2907A), si ha * = 40 e I BSAT = 0,5 mA . Ponendo R52 = 10 K IR52 = VBESAT 0,7 =0,7 mA R52 10 *103 IR51 = IBSAT + IR52 = ( 0,5 + 0.07)*10-3 = 0,57 mA 0,6 mA 39 Quando V3= VL3 -10,5 la d.d.p sulla serie D17, R51,R52 è: V = VCC – VL1= 12-(-10,5) = 22,5 V VR51 = V – VBESAT – VZ = 22,5 – 0,7 – 4,7 = 17,1 V R51 = V51 17,1 28,5 K (27 K) I R 51 0,6 *10 3 Per la scelta di R51 bisogna scegliere un valore standard in difetto per avere una sicura saturazione. . 40 2.15 CIRCUITO ATTUATORE PER L’ACCENSIONE DELL’ UMIDIFICATORE: +Vcc 8 6 VRH 7 + 5 V4 D20 R54 U12B K4 TR4 4 Umidificatore LP4 R55 -Vee R56 R53 R49 D19 VR4 LED4 ATTUATORE 4 TRIGGER 3 V4 = uscita trigger 4 VF = caduta di tensione ai capi del diodo VH4 = uscita trigger 4 ICSAT = 20 mA Si fissa R56 = 10 K I BSAT I CSAT * 20 *103 0,5 mA 40 VR54 = VH4 - V F - VBESAT = 10,5- 0,6 – 0,7 = 9,2 V R54 = VR 54 9,2 18,4 K (18 K) I BSAT 0,5 *10 3 Il diodo D20 è un diodo interruttore che quando l’uscita dell’U12B (TRIGGER 4) assume valore negativo D20 si interdice e la base di TR4 è riferita a massa con R55 e quindi TR4 si interdice. 41 2.16 SEGNALAZIONE DI CORRETTO FUNZIONAMENTO DEL RELÈ PER L’ACCENSIONE DEL DEUMIDIFICATORE: LP3 DEUMIDIFICATORE N.A Con apparecchiatura spenta si ha il bulbo al neon LP3 acceso (ON) e il relativo comando proveniente dal trigger 3 ( V3) è a livello alto (VH3). Con apparecchiatura accesa si ha il bulbo al neon LP3 spento (OFF) e il relativo comando proveniente dal trigger 3 ( V3) è a livello basso (VL3). 42 2.17 SEGNALAZIONE DI CORRETTO FUNZIONAMENTO DEL RELÈ PER L’ACCENSIONE DELL’ UMIDIFICATORE: LP4 UMIDIFICATORE N.A Con apparecchiatura spenta si ha il bulbo al neon LP4 acceso (ON) e il relativo comando proveniente dal trigger 4 (V4) è a livello basso (VH4). Con apparecchiatura accesa si ha il bulbo al neon LP4 spento (OFF) e il relativo comando proveniente dal trigger 4 ( V4) è a livello basso (VL4). 43 2.18 SEGNALAZIONE DEL CORRETTO FUNZIONAMENTO DEL TRIGGER 3 (DEUMIDIFICATORE): La segnalazione del corretto funzionamento del trigger avviene attraverso il diodo LED 3. Le condizioni di V3 (uscita dal trigger 3) sono due alto e basso. Ricordando che la tensione di BREAKDOWN inversa del LED è di 3-4V , si inserisce il diodo di protezione D18( polarizzato in modo opposto al LED). Per il calcolo di R50 si assume : IF = 5mA, VF 2V R50 = VH3 +10,5V VH 3 VF 10,5 2 8,5 1,7 *103 1,7 K (1,8 K) 3 IF 5 *10 5 *10 3 Sul pannello di monitoraggio e controlllo devono essere disposti affiancati il LED 3 (relativo al corretto funzionamento del trigger 3) ed LP3 (lampadina al neon relativa al corretto funzionamento del relè): Quando il comando V1 è associato al refrigeratore spento si ha : V3 = V H3 LED3 acceso, relè diseccitato e LP3 acceso Quando invece il refrigeratore si deve accendere si ha: V3 = VL3 LED 3 spento, relè eccitato e LP3 spento +Vcc VRH 2 + 3 8 4 1 V3 U12A -Vee R50 TO ATTUATORE 3 R48 R47 D18 LED3 VR3 44 2.19 SEGNALAZIONE DEL CORRETTO FUNZIONAMENTO DEL TRIGGER 4 (UMIDIFICATORE): La segnalazione del corretto funzionamento del trigger avviene attraverso il diodo LED 4. Le condizioni di V4 sono due alto e basso. Ricordando che la tensione di BREAKDOWN inversa del LED è di 3-4V , si inserisce il diodo di protezione D19 ( polarizzato in modo opposto al LED). Per il calcolo di R55 si assume : IF = 5mA, VF 2V VH2 +10,5V R55 = VH 2 VF 10,5 2 8,5 1,7 *103 1,7 K (1,8 K) 3 3 IF 5 *10 5 *10 Sul pannello di monitoraggio e controlllo devono essere disposti affiancati il LED 4 ed LP4 (lampadina al neon): Quando il comando V2 è associato al riscaldatore spento si ha : V4 = VH4 LED4 acceso, relè diseccitato e LP4 acceso Quando invece il riscaldatore si deve accendere si ha: V4 = VL4 LED 4 spento, relè eccitato e LP4 spento +Vcc VRH 8 6 7 + 5 U12B TO ATTUATORE 4 4 -Vee R56 R53 R49 D19 LED4 VR3 45 SCHEMA CIRCUITALE DEL CONTROLLO E RILEVAMENTO DELL’UMIDITÀ FOGLIO 1/2 R24 3 2 + +Vcc U4A 8 8 +Vcc 5 1 6 - + U4B Va R27 Vf C2 Vr D7 7 4 4 R25 R28 -Vcc Cs -Vcc C1 C3 R26 45 SCHEMA CIRCUITALE DEL CONTROLLO E RILEVAMENTO DELL’UMIDITÀ FOGLIO 2/2 +Vcc R52 R36 2 - 3 8 3 R' R' + U9A -0,5V3,5V 1 +Vcc P5 3 R' +Vcc R' + 5 8 6 U9B7 4 LED3 +Vcc ee 5 B To DPM R' D20 7 - V RH D18 U10B -V 8 Deumidificatore 4 +Vcc 6 K3 LP3 1 + R38 -Vcc 2 R' R50 R47 8 - R37 TR5 R48 4 -Vee R51 U12A -Vee - 2 4 D17 1 + P4 8 + +0,5V4,5V VR +Vcc +Vcc +Vcc R54 U12B K4 Umidificatore TR4 4 R55 -Vee LP4 R56 -Vee R53 R49 D19 +Vcc LED4 R39 +V R41 D15 + +Vcc 3V R46 + +4V 8 5 4 3 4 -Vee 7 +V U10A -Vee R43 6 D16 R44 cc 8 + P6 P6 R42 1 U11A 7 - 6 - 5V cc 8 - R40 +8V 2 5 4 U11B -Vee R45 -Vee 46 2.20 CIRCUITO DI VISUALIZZAZIONE (DPM) DELLA TEMPERATURA E DELL’UMIDITÀ RELATIVA : Questo circuito permette alternativamente la visualizzazione automatica su un DPM (Digital Panel Meter) ogni 4 secondi della temperatura o dell’umidità relativa rilevata all’interno della camera climatizzata, impiegando un CI 4066 (TECNOLOGIA CMOS) costituito da 4 switch analogici a comando digitale e una NAND con ingresso triggerato. Si utilizza una NAND del circuito integrato CD 4093 e alcune resistenze di uguale valore e un condensatore. Si utilizza la porta NAND per realizzare il multivibratore astabile perche’ e’ inserito in un blocco con alimentazione +12 V (non duale come per il resto del sistema), e anche per motivi didattici (si vuole mostrare una alternativa all’operazionale); la realizzazione con operazionale avrebbe richiesto un ulteriore livello di tensione stabilizzata di +6 V. Dimensionamento della resistenza R1 e il condensatore elettrolitico C per avere un tempo di visualizzazione sul DPM della temperatura e dell’umidità relativa ad intervalli di 4 sec l’una dall’altra. VDD = 12 V VOH VDD VOL 0 V VTH 0,6 VDD VTL 0,4 VDD TH ln 0,4 * 12 12 0.4 VDD VDD 4,8 VTL VOH ln ln ln 0,41 0,6 * 12 12 VTH VOH 0.6 VDD VDD 7,2 TL ln 0.6 VDD 0 VTH VOL ln ln VTL VOL 0,4 VDD 0 0,6 0,4 * 12 0 * 12 0 ln 7,2 4,8 0,41 TH = TL = 0,4 1 Per avere un tempo di visualizzazione di 4 sec sia della temperatura che dell’umidità relativa dobbiamo avere il periodo T TH TL 8 sec TH 4 sec TH 4 sec TH 4 10 sec 0,41 0,41 R57 * C54 47 Si fissa R57 = 1 M C54 9,76 10 F 6 10 106 Calcolo delle resistenze R60 e R62 per l’accensione dei due led gialli : I LED gialli indicheranno quale parametro viene visualizzato in determinato momento sul DPM (cioè se temperatura o umidità relativa): Per i led gialli si ha: VF 1,7 V IF 5 mA Pertanto si ha: R60 VDD VF 10,3 2,2 K IF 5 * 103 R60 = R62 Le resistenze R58, R59, R61, si dimensionano tutte uguali a 10 k LED 5 segnala lettura °C LED 6 segnala lettura RH CLOCK L H U13A U13B=U13D CHIUSO OFF (LETTURA°C) OFF ON (LETTURA RH) U13C CHIUSO LED 5 ON (°C) LED 6 OFF OFF OFF ON (RH) 48 SCHEMA CIRCUITALE PER CONTROLLO DEL DPM +Vcc U13C R60 LED5 9 +Vcc 8 -Vee 6 VOT +Vcc 1 U13A 2 +Vcc R61 13 -Vee DPM R57 +Vcc 9 8 C4 +Vcc R58 +Vcc 5 -Vee R59 10 U6D 3 TR6 U13B 4 VRH + +Vcc +Vcc 12 11 R62 -Vee 10 LED6 U13D 49 CAPITOLO 3 CRITERI DI TARATURA E INSTALLAZIONE DEI SENSORI 3.1 TARATURA DEL TRASDUTTORE DI TEMPERATURA Taratura dello zero: -Si porta il trasduttore a 0 °C (equilibrio termico con ghiaccio fondente alla pressione atmosferica di 760 mHg). -Si regola P2 affinchè si legga 0 V all’uscita dell’ INA . Taratura fondo scala: - Si porta il trasduttore a 100 °C equilibrio termico con l’acqua in ebollizione a 760 mHg. - Si regola P1affinchè si legga 10 V all’ uscita dell’INA. 3.2 TARATURA DEL TRASDUTTORE DI UMIDITÁ Il metodo più corretto è tararlo con igrometro di precisione di riferimento. Un modo alternativo è il seguente: Taratura dello zero: Si introduce il sensore in un barattolo di vetro con RH = 0% (basta riempire metà del barattolo con materiale molto igroscopico, per esempio calce viva). Si regola P4 (0 SET) in modo da leggere 0 V sul DPM. In alternativa si puo' inserire un condensatore da 160 pF al posto di Cs (valore di Cs per RH=0%) ed agire sul potenziometro P4 fino ad ottenere un valore di tensione in uscita uguale a 0 V. Se si utilizza un sensore PHILIPS 233-691-90001 che ha capacita' variabile tra 110 e 150 pF, si puo' usare lo stesso circuito per il rilevamento di RH mettendo in parallelo al sensore un condensatore di capacita' 56 pF in modo da riportare i valori complessivi di capacita' a quelli considerati nel progetto. Taratura scala: Si mette il sensore all’equilibrio con l’ambiente esterno di cui si deve conoscere il valore dell’umidità relativa.Si regola il guadagno dell’IN.A con P5 in modo da leggere sul DPM il valore di tensione corrispondente all’RH ambiente (per esempio se RH = 60% si dovrà leggere 6V) 3.3 INSTALLAZIONE Quando si avrà a disposizione la pianta del locale e l’ubicazione dei dispositivi indicati nello schema di installazione di fig. 1 del paragrafo 1.3.1, verrà indicata la tipologia dei cavi e la loro posa. 50 CAPITOLO 4 ALIMENTAZIONE 4.1 CIRCUITO DI ALIMENTAZIONE L’alimentazione dell’intero circuito di rilevazione e di controllo avviene attraverso un alimentatore duale a 12 V. VR63 =24-1,7 =22,3 V R63 22,3 44,6 K (47 K ) 0,5 *103 U14 1 F1 +12V T1 12V 220VAC + - 12V C5 C7 2 C9 + R63 C11 0V + SW1 3 B1 + C6 C8 1 C10 LED7 + C12 2 3 -12V U15 F1 = FUSIBILE 100 mA SW1 = Da pannello D7= LED VERDE C5 = 2200 F C6 = 2200 F C7 = 0,1F C8 = 0,1 F C9 = 100 F C10 = 100 F C11 = 0,1 F C12 = 0,1 F B1 = B50C1000 T1 = Primario 220 Vca Secondario 12+12 VCA / 0,5 A U14 = 78L12 U15 = 79 L12 51 CAPITOLO 5 CONTROLLO 5.1 PANNELLO DI MONITORAGGIO E CONTROLLO Struttura del pannello: N° 1 INTERRUTTORE DI ACCENSIONE (SW 1) N° 1 LED (LED 7) VERDE DI SEGNALAZIONE PRESENZA ALIMENTAZIONE N° 1 LAMPADINA AL NEON LP1 SENALAZIONE CORRETTO FUNZIONAMENTO RELÈ ACCENSIONE REFRIGERATORE. N° 1 LED ROSSO (LED1) PER SEGNALAZIONE DEL CORRETO FUNZIONAMENTO TRIGGER1(REFRIGERATORE). N° 1 LAMPADINA AL NEON LP2 SENALAZIONE CORRETTO FUNZIONAMENTO RELÈ ACCENSIONE RISCALDATORE. N° 1 LED ROSSO (LED 2) PER SEGNALAZIONE DEL CORRETO FUNZIONAMENTO TRIGGER 2 (RISCALDATORE). N° 1 LAMPADINA AL NEON LP3 SENALAZIONE CORRETTO FUNZIONAMENTO RELÈ ACCENSIONE DEUMIDIFICATORE. N° 1 LED ROSSO (LED3) PER SEGNALAZIONE DEL CORRETO FUNZIONAMENTO TRIGGER 3 (DEUMIDIFICATORE). N° 1 LAMPADINA AL NEON LP4 SENALAZIONE CORRETTO FUNZIONAMENTO RELÈ ACCENSIONE UMIDIFICATORE. N° 1 LED ROSSO (LED4) PER SEGNALAZIONE DEL CORRETO FUNZIONAMENTO TRIGGER 4 (UMIDIFICATORE). N° 1 DPM (DIGITAL PANEL METER). N° 1 LED GIALLO(LED 5) PER SEGNALARE CHE LA GRANDEZZA MONITORATA È LA TEMPERATURA N° 1 LED GIALLO (LED 6) PER PER SEGNALARE CHE LA GRANDEZZA MONITORATA E’ L’UMIDITÀ RELATIVA. N° 1 POTENZIOMETRO (P3) PER IMPOSTARE LA TEMPERATURA CHE SI VUOLE NELLA STANZA. N° 1 POTENZIOMETRO(P6) PER IMPOSTARE L’UMIDITÀ RELATIVA CHE SI VUOLE NELLA STANZA. 52 CAPITOLO 6 COLLEGAMENTI CON LA TEORIA DEI SISTEMI 6.1 SISTEMI REZIONATI E REGOLATORI Tutti i sistemi di controllo automatici utilizzano la reazione negativa come configurazione base per poter tenere sotto controllo l’evoluzione nel tempo di qualunque grandezza fisica. L’ingresso del sistema e’ costituito normalmente da una grandezza elettrica (V/I) e l’uscita dalla grandezza fisica che si vuole controllare; nel nostro caso si vuole mantenere costante l’uscita e quindi il nostro sistema di controllo sara’ un REGOLATORE. Lo schema di principio di un regolatore e’ quello riportato in figura: Vref + CONTROL LORE CONDIZ. SEGNALE ATTUATO RE SISTEMA OGGETTO y(t) - Vreaz CONDIZ. SEGNALE TRASDUT TORE Gli unici blocchi che devono essere sempre presenti in un regolatore sono il sistema oggetto, il nodo sommatore ed il controllore, gli altri possono anche mancare nelle varie applicazioni. 53 6.2 REGOLATORI DI TEMPERATURA E RH Il nostro progetto e’ composto quindi da due regolatori, uno per la temperatura e uno per l’umidita’ relativa, che possono essere schematizzati nel modo seguente: Vref + CONTROL LORE ATTUATORE SISTEMA OGGETTO T/RH - Vt/Vrh COND. SEGNALE PRETR. SEGNALE TRASDUT TORE I circuiti di pretrattamento e di condizionamento del segnale sono stati illustrati in precedenza per entrambi i sistemi di controllo, la tensione Vref corrisponde al valore di temperatura o di umidita’ impostato tramite i potenziometri P3 e P6. Il controllore corrisponde in entrambi i casi ai trigger che agiscono in base al valore della grandezza di uscita (T o RH) riportata in ingresso dalla rete di reazione. II nodo sommatore e’ rappresentato dagli ingressi + e – dei trigger . L’attuatore e’ rappresentato dall’insieme transistor+rele’+dispositivo (umidificatore/deumidificatore, riscaldatore/refrigeratore). Il sistema oggetto del controllo e’ rappresentato dall’ambiente in cui si vogliono controllare i valorei T e RH. 54 LISTA PARTI RESISTENZE VOLORE POTENZIOMETRI VALORE R’ P1 10 K 1 K R P2 10 K 1 K R1 P3 1 K 10 K R2 P4 9 K 1 K R3 P5 1 K 500 R4 P6 1,5 K 10 K R5 5,6 K R6 1,2 K R7 220 R8 22 K R9 220 R10 22 K R11 22 K R12 1,2 K R13 1,2 K R14 560 R15 120 R16 120 R17 560 R18 27 K R19 18 K R20 1,8 K R21 1,8 K R22 10 K DIODI D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D15 D16 D17 D18 D19 D20 LED1 LED2 LED3 LED4 LED5 LED6 SIGLA TRANSISTOR 1N4148 TR1 1N4148 TR2 Zener 4,7 TR4 1N4148 TR5 1N4148 TR6 1N4148 1N4148 1N4148 1N4148 Zener 4.7 1N4148 1N4148 1N4148 Rosso Rosso Rosso Rosso Giallo Giallo SIGLA BC287 BC286 BC286 BC287 BC286 55 LISTA PARTI RESISTENZE R23 R24 R25 R26 R27 R28 R36 R37 R38 R39 R40 R41 R42 R43 R44 R45 R46 R47 R48 R49 R50 R51 R52 VALORE CONDENSATORI 10 K 741 K 10 K 1 K 1,6 K 1,6 K 11,5 K 11,5 K 220 1,2 K 10 K 560 100 100 560 1,2 K 10 K 220 22 K 220 1,8 K 27 K 10 K C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 C11 C12 VALORE 0,1 F 1 F 1 F 10 F 2200 F 2200 F 0,1 F 0,1 F 100 F 100 F 0,1 F 0,1 F LAMPADE AL NEON LP1 LP2 LP3 LP4 VALORE C.I. SIGLA 220 V 220 V 220 V 220 V U2 U3 U4 U5 U6 U8 U9 U10 U11 U12 U13 U14 U15 TL082 TL082 TL082 TL082 CD4093 TL082 TL082 TL082 TL082 TL082 4066 78L12 79L12 56 LISTA PARTI RESISTENZE R53 R54 R55 R56 R57 R58 R59 R60 R61 R62 R63 VALORE SENSORE DI TEMPERATURA U1 SIGLA AD590 SENSORE DI UMIDITÀ CS SIGLA HC201 PONTE DI DIODI B1 SIGLA B50C1000 22 K 18 K 1,8 K 1,8 K 1M 10 K 10 K 2,2 K 10 K 2,2 K 47 K 57 LISTA PARTI FUSIBILE VALORE TRASFORMATORE VALORE SWITCH MODELLO F1 100 mA T1 Primario SW1 Da pannello 220 VCA a leva Secondario 12+12 VCA / 0,5 A 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148