DESCRIZIONE DELL’ESPERIENZA
In questo circuito si simula un sistema di sorveglianza a distanza che consente di monitorare su un
pannello luminoso gli stati di 8 ingressi che rappresentano altrettanti sensori di allarme posti nei
punti da sorvegliare.Sono stati realizzati due circuiti: Rilevatore di fiamma e Rilevatore di fumo che
rappresentano i sensori del nostro sistema di allarme.
SCHEMA ELETTRICO
Introduzione teorica
Il circuito realizzato è essenzialmente costituito dai seguenti blocchi:
Acquisizione dati
sensori
Generatore di
impulsi clock
(astabile)
Dmx
Mux
Interfacce di
uscita
Contatore binario
a Modulo 8
Si parte ora ad analizzare il controllo del sistema di sorveglianza che spetta essenzialmente al
MULTIPLEXER e al DEMULTIPLEXER.Gli ingressi 1 ÷ 8 rappresentano i sensori del sistema di
allarme e sono costituiti da altrettanti interruttori normalmente aperti che vengono applicati agli
ingressi E0 ÷ E7 del MULTIPLEXER 74LS150.Sono collegati in modo da fornire un livello alto
quando sono aperti(OFF) ed un livello basso quando sono chiusi(ON).Si assume come stato di
allarme la posizione ON e quindi il livello logico 0 sugli ingressi. Dalle specifiche fornite dal
costruttore del MUX si evince che gli ingressi a disposizione sono 16 con un controllo di 4
selettori(A,B,C,D);per tanto dovendo utilizzare solamente otto degli ingressi, il selettore del bit più
significativo (D) è stato posto a massa.
Il pannello di controllo è costituito da 8 LED collegati alle uscite del DEMUX 74LS154 , attive a
livello alto. Nel DEMUX (come nel MUX) volendo visualizzare solamente otto degli ingressi, il
selettore del bit più significativo (D) è stato posto a massa.Gli ingressi di selezione de MUX e del
DEMUX vengono fatte scorrere sequenzialmente dal contatore modulo 8 realizzato con l’integrato
74LS93.L’ingresso del contatore è comandato da un generatore di clock con frequenza di circa ……..
realizzato con due porte trigger.Il clock fa scorrere sequenzialmente le otto combinazioni del
contatore,per ognuna di queste viene riportato sull’uscita negata del multiplexer lo stato
dell’ingressso selezionato.Il demultiplexer, come indicato nella tabella di verità nel DATA SHEET
(vedi fonti)presenterà livello alto sull’uscita selezionata (LED spento) quando è presente un livello
alto sull’ingresso G1 (negato), e se l’altro ingresso G2 (negato) è posto a massa .
In conclusione quindi si verifica che,in presenza di un livello 0 su uno degli ingressi, questo viene
invertito dal MUX e diventa livello logico 1 che applicato all’ingresso del DEMUX ,provocherà un
livello logico “1” e lo spegnimento del led corrispondente,segnalando così lo stato di anomalia
presente sull’ingresso selezionato.
RILEVATORE DI FIAMMA
Il circuito realizzato mi permette tramite una resistenza NTC di rilevare la presenza di calore
segnalando tale anomalia in un sistema di sorveglianza.
SCHEMA A BLOCCHI
SCHEMA ELETTRICO
Realizzazione pratica
INSEGUITORE
Adattatore di impedenza, serve a separare l’ingresso dall’uscita. La tensione presente sull’ingresso
+,che cambia a seconda della temperatura presene sulla termoresistenza , è uguale alla tensione in
uscita (V).
AMPLIFICATORE NON INVERTENTE
Il segnale presente in uscita sarà di ugual segno del segnale di ingresso poiché entra nel morsetto
non invertente(+).Serve ad amplificare quel tanto per poter effettuare la comparazione di isteresi.
COMPARATORE DI ISTERESI INVERTENTE CON TENSIONE DI RIFERIMENTO(6VR).
Il comparatore di isteresi (Trigger di Schmit)è un operazionale con reazione positiva e pone rimedio
ai problemi di un semplice comparatore di soglia creando una zona di insensibilità detta isteresi
(VH),compresa tra due soglie di intervento VRL(tensione di soglia inferiore) e VRH(tensione di
soglia superiore)
Il nostro sistema di rilevamento di calore fornisce un segnale sotto forma di tensione.Quando il
livello raggiunto equivale a una tensione di 5.5V (VRH) deve scattare l’allarme,sfruttando la
commutazione tra i due livelli di uscita di un comparatore.Il segnale fornito dal trasduttore NTC
varia lentamente.In aggiunta a ciò è stato tenuto conto di un rumore con ampiezza MAX di 2V.Nel
dimensionare il comparatore troveremo il valore di VR,R1,R2.
DIMENSIONAMENTO CIRCUITO
Valore misurato della Resistenza NTC
Ta (tenperatura ambiante) Tf (temperatura fuoco)
490 K?
422 K?
AMBIENTE
FIAMMA
AMPLIFICAZIONE DELL’ A.O. NON INVERTENTE
CALCOLO DELLA TENSIONE IN USCITA DELL’ A.O NON INVERTENTE
AMBIENTE V2= V2+ * Av = 3.33 * 1.39 = 4.6 V
FIAMMA
V2= V2+ * Av = 3.76 * 1.39 = 5.24V
COMPARATORE DI ISTERESI
Si fissa la Resistenza R1 = 10 KΩ
VH=2V; VRH=5V
Calcolo della seguente formula R2
R2 = 0.09* (R1 + R2)
R2 =0.09*R1 + 0.09*R2
R2-0.09*R2 = 0.09*R1
0.91*R2 = 0.09*R1
Se VRH = 5V calcolo VR con la seguente formula:
5=11*0.09 + VR* 0.9
5-0.99 = VR* 0.9
4= VR* 0.9
RILEVATORE DI FUMO
Il circuito realizzato mi permette tramite una fotoresistenza di rilevare la presenza di fumo(resistenza
completamente coperta)segnalando tale anomalia in un sistema di sorveglianza.
La fotoresistenza è inserita in una tipica struttura a ponte all’ingresso di un comparatore che esegue il
confronto tra i due valori di tensione,uno dei quali dipende dalla fotoresistenza.La tensione di riferimento del
comparatore è fissato dal partitore R6 R7 ed è applicata all’ingresso non invertente del
comparatore(alimentato con una tensione singola) .
Il segnale prelevato ai capi della resistenza R5, inserita nel ramo della LDR , è applicato all’ingresso
invertente.Allorchè la fotoresistenza viene coperta dal fumo , prevale l’ingresso non invertente mandando in
saturazione positiva l’uscita V4.Essa viene applicata all’ingesso del comparatore di isteresi che supera la
tensione di riferimento V2+(VRH =8.5 V) mandano in saturazione negativa l’uscita V5.
SCHEMA A BLOCCHI
SCHEMA ELETTRICO
REALIZZAZIONE PRATICA
Comparatore di soglia
Il comparatore è un circuito non lineare che opera un confronto tra la tensione di ingresso ed una
tensione di iferimento.Le uscite del comparatore indica quali delle due tensioni prevale.
I livelli della tensione di uscita sono prossimi alla tensione di alimentazione(+11V -11V).
DIMENSIONAMENTO
Valore misurato della Fotoresistenza LDR
LUCE
FUMO
500 ?
3 K?
COMPARATORE DI SOGLIA
LUCE
FUMO
COMPARTORE DI ISTERESI
Si fissa R8 = 10 KΩ
VH= 1,1 V
VRH=8,5 V
Si calcola R2
1,1(R8+R9)=2,2*R8 ; 1,1*R8 + 1,1* R9= 2,2* R8 ;
1,1 *R9 = 2,2 *R8 -1,1* R8; 1,1 R9 = 1,1 R8 quindi R8=R9 R9=10 KΩ
CALCOLO VR DALLA SEGUENTE FORMULA
8.5 =11* 0.5 + VR * 0.5
8.5*(11*0.5)=Vr*0,5 ;
3,3 = Vr*0,5
VR = 3/0.5 = 6 V
GENERATORE DI IMPULSI DI CLOCK
(ASTABILE CON PORTE LOGICHE A TRIGGER DI SCHMITT)
Questo circuito(oscillatore) è stato realizzato con lo scopo di fornire un onda rettangolare (Clock) al
contatore.Sono state utilizzate porte logiche con isteresi caratterizzate dall’avere due soglie di
commutazione indicate con VTL e VTH. Il segnale di ingresso è riconosciuto basso se è di valore
inferiore a VTL mentre è riconosciuto alto se è superiore a VTH. Se il valore della tensione di soglia è
compresa tra VTL e VTH, il livello logico di uscita conserva lo stato precedente.
SCHEMA ELETTRICO
SIMULAZIONE CON EWB
DIMENSIONAMENTO
dati
Min
1.5V
0.6V
VTH
VTL
Max
2.0V
1.1V
Per i dispositivi TTL/LS,si scelgono tali soglie:
VTL= 0,9V VTH=1.8V
La frequenza può essere calcolata con buona approssimazione con la relazione:
f = 0,8/RC = 0,8 /470 47μF = 36 Hz
Per questo circuito risulta critico il valore della resistenza : deve essere inferiore a 500 ohm per le
porte TTL standard e inferiore a 2Kohm per TTL/LS. Il limite imposto al valore di R rende
problematico l’uso di questo circuito per frequenze basse.
Tabella riassuntiva dei risultati ottenuti
RILEVATORE DI FIAMMA
Risultati ottenuti
VREALI amb
REALI Fuo
SIMUL fuo
SIMUL amb
TEORI fuo
V+
4,16
4,6
3,584V
3,219V
3,76V
V
4,1
6
3,584V
3,219V
3,76V
4,16
6
3,584V
3,219V
3,76V
V24,15
8,67
3,583V
3,219V
/
V2+
4,15
8,7
3,584V
3,219V
3,76V
V2
5,35
9
5,129V
4,607V
5,22V
V35,35
8
5,129V
4,607V
5,22V
V3+
5,99
5,94
4,938V
5,055V
5V
RILEVATORE DI FUMO
Risultati ottenuti
-
Reali luce
Reali fumo
Simul luce
Simul fumo
Teoric luce
V4
8,38V
2,5V
9,7V
5V
8,96V
+
V4
6,02V
6,02V
5,99V
5,99V
5,5V
V4
1,94V
11,5V
0V
11,12V
0V
V51,94V
11,5V
0V
11,12V
0V
V5+
5,53V
2,63V
10,51V
2,61V
8,5V
V5
5,07V
0V
11,12V
0V
5,1V
V3
5,18
0
0
11,12V
0
Fonti
Le nozioni qui in oggetto sono stati reperiti da materiale fornitovi dagli insegnanti delle materie
tecniche professionali del corso Tecnico delle Industrie elettroniche(SEZ 5T) dell’istituto I.P.S.I.A
A.CASTIGLIANO(AT) e dai seguenti libri di testo e siti internet:
Tecnica professionale Elettronica-Editore Hoepli
Data Book-Texas Instruments TTL
Esercizi per la preparazione dell’Esame di Stato-Editore Loescher
Esercitazioni pratiche-Editore Jakson libri
http://it.wikipedia.org/wiki/Multiplexer#Demultiplexer
http://it.wikipedia.org/wiki/Amplificatore_operazionale#Comparatore_con_isteresi
INTEGRATI UTILIZZATI
SN74LS14(Trigger di Schmitt)
DM74154(DEMUX)
Tabella
Circuito logico
DM74150(MUX)
MULTIPLEXER (selettore)
Un multiplexer (MUX) è un selettore, con più ingressi di segnale e una sola uscita, capace di inviare a questa
uscita il segnale presente all'ingresso selezionato.
Sotto viene schematizzato il funzionamento del MUX a quattro ingressi e la rappresentazione logica.
Un esempio di MUX integrato a 16 ingressi di segnale è il 54/74150; Si noti che l'uscita fornisce il valore
complementato degli ingressi, l'ingresso di enable, è attivo basso e gli ingressi e di selezione sono 4.
Controllando anche gli altri MUX si noti in particolare l'esistenza di enable, che agiscono sull'uscita 3-state.
Un esempio di questo genere si ha nel 4512B che è un,MUX a 8 ingressi di segnale , dove esiste un ingresso
di disabilitazione , 3-state che se posto a livello alto impone l'uscita ad alta impedenza, esiste però anche un
ingresso di inibizione che se posto a livello alto impone l'uscita a livello basso (tra questi due ingressi è
vincente quello 3-state).
Qualora non avessimo a disposizione un multiplexer con un sufficiente numero di ingressi di segnale si può
applicare la tecnica mostrata nella figura sottostante .
Questo circuito si riferisce al caso di un MUX a 32 ingressi ottenibile da due 16 e uno a 2.
Si hanno in particolare 5 ingressi di selezione: i primi quattro SO, S l , S2, S3 selezionano
contemporaneamente un ingresso dei MUX l e 2, l'ingresso S4 agisce sul MUX 3 selezionando O l se vale O
e 02 se vale l.
Il multiplexer 3 è realizzabile con le normali porte logiche, ma è anche reperibile in forma integrata (es.
74/157 e 158).
In una trasmissione a distanza a più bit può risultare sconveniente trasmettere le singole parole a n bit usando
n linee di trasmissioni distinte.
Una soluzione alternativa, che comunque rallenta la velocità di trasmissione dell'informazione , è quella di
inviare su un'unica linea gli n bit in sequenza uno dopo l'altro.
Si effettua cioè una conversione parallelo serie del segnale binario, naturalmente in arrivo al sistema di
trasmissione si deve poi procedere alla conversione inversa serie parallelo.
USO DEL MULTIPLEXER PER REALIZZARE RETI COMBINATORIE
Sebbene il multiplexer sia un circuito combinatorio che svolge una ben definita funzione logica è utilizzabile
anche per realizzare una generica rete combinatoria.
Immaginiamo di dover, per esempio, realizzare la rete combinatoria sotto riportata.
Potremmo procedere alla minimizzazione, usando i criteri già noti, e arriveremmo a una soluzione con IC
SSI.
In alternativa possiamo usare un MUX a 16 ingressi di segnale come riportato qui in figura.
Si usano come ingressi della rete combinatoria quelli di selezione e quelli di ingresso vengono collegati a O a
l in relazione a cosa prevede la tabella della verità.
Come chiarimento di questa osservazione basta estendere al caso a 16 ingressi la funzione logica già
considerata per il MUX precedente.
Come si vede, sono i valori 0 o 1 assegnati agli ingressi I a definire, per ogni combinazione S3S2S1S0, il
valore in uscita.
Un'altra soluzione, facente uso del MUX, è 1 seguente.
Si realizza la mappa corrispondente alla tabella della verità e la si divide in sottomappe, in modo che ognuna
di queste, passando da una casella all'altra, cambi solo una variabile .
Si realizza poi una tabella della verità considerando le uscite, corrispondenti alle singole sottomappe.
rispetto alle variabili in ingresso che variano.
Si noti in particolare che qualora l'uscita vari, passando da una casella all'altra della stessa sottomappa, la si
interpreta in funzione della variabile eliminata (nel nostro caso D).
Da questa tabella è facile ricavare il circuito finale che richiede in questo caso l'uso di un MUX a 8 ingressi
di segnale e di un NOT.
Qualora il NOT sia recuperabile da un integrato parzialmente utilizzato. questa soluzione risulta migliore
della precedente.
Effettuando sottomappe di quattro caselle l'una è possibile usare un MUX a 4 ingressi e di
segnale, ma con l'aggiunta di altre porte esterne anche questa soluzione può risultare conveniente qualora le
porte siano reperibili da integrati parzialmente utilizzati.
Tecniche di multiplexing
Le tecniche più utilizzate per ottenere il multiplexing di più canali sono la multiplazione a divisione di
tempo (Time Division Multiplexing TDM) e a divisione di frequenza (Frequency Division Multiplexing FDM). Per trasmissioni digitali invece si utilizza TDMA (Time Division Multiple Access), FDMA
(Frequency Division Multiple Access) e il CDMA (Code Division Multiple Access).
In una tipica applicazione telefonica, con multiplexing a divisione di tempo sullo stesso mezzo vengono
trasmessi a intervalli regolari di tempo segnali di 8 canali diversi. Tipicamente si tratta di un MUX che
trasmette 8 chiamate contemporaneamente sullo stesso doppino, elevando la banda del segnale analogico da
56 kbit/sec. a 560 kbit/sec. Nei primi 2 secondi vengono trasmessi i primi 2 secondi di conversazione della
prima chiamata, nel terzo e quarto secondo due secondi della seconda chiamata, etc. I primi 2 utenti collegati
non sentiranno niente dal terzo al 16esimo secondo, il tempo necessario perché siano trasmessi tutti gli altri
7 canali e il doppino torni a trasmettere la loro conversazione.
Analogo ritardo per gli altri, 14 secondi di attesa per ognuno degli 8 canali di comunicazione. Una latenza
simile sarebbe inacettabile; perciò il tempo di latenza è portato a 2 millisecondi, in modo che l'utente
percepisca una conversazione continua.
Il gestore invece di posare 8 doppini dedicati, ne posa uno per tutti risparmiando quasi 10 volte sui costi di
cablaggio.
Nel multiplexing a divisione di frequenza si utilizzano 10 frequenze diverse in modo che la portante conduca
delle sottoportanti, ossia dove transita un segnale ne transitano 10 con frequenze abbastanza distanti da non
interferire. Tipicamente, il DSLAM eleva di 10 volte la banda disponibile su un doppino. Abbinandosi a
segnale digitale, la banda del doppino è 64 kbit/sec e cresce fino a 640 Kbit/sec, il taglio minimo a cui è
disponibile ADSL. In questo caso, il gestore poserà 10 doppini per 10 utenze, con costi di cablaggio molto
più alti. Sarà l'utente a beneficiare di una banda 10 volte maggiore. Nelle comunicazioni un demultiplexer è
il dispositivo complementare del multiplexer, che in ricezione permette di separare e ricostituire i canali
trasmissivi originari.
DEMULTIPLEXER
Un demultiplexer (DEMUX) svolge una funzione logica inversa del multiplexer, cioè è un
circuito
capace di inviare segnali provenienti da un unica sorgente a più destinazioni.
Qui sotto è mostrata un’ analogia meccanica in cui, variando la posizione del deviatore, si seleziona una fra
le varie uscite disponibili. Usando insieme un selettore e un distributore si può fare in modo che una sola
linea possa servire alla trasmissione di più segnali diversi.
L'unico inconveniente è che i segnali devono essere inviati uno alla volta con una successione prestabilita.
Naturalmente la scelta dell'uscita avviene tramite m ingressi di selezione con 2m= n.
Qui sorto è schematizzato il comportamento del DEMUX ed è riportata la sua schematizzazione logica, nel
caso di quattro uscite di segnali ed enable attivo basso.
Successivamente, invece, è riportata una possibile soluzione circuitale nel caso di due uscite.
Un esempio di demultiplexer è il 54/74154. Dalla sua tabella della verità si ricava che, oltre alle 16 uscite,
sono presenti quattro ingressi di selezione A-BC-D e due ingressi G 1 e G2, che si possono considerare come
degli enable attivi bassi. Se uno di questi o entrambi sono alti le uscite sono tutte alte, se entrambi sono bassi
si ha l'uscita selezionata bassa e tutte le altre alte. In pratica G 1 e G2, indifferentemente uno dall'altro,
vengono scelti uno come entrata e l'altro come enable; se ad esempio si usa G l come entrata e G2 come
enable, posto G2 = L l'uscita selezionata assume il valore di G l.
Anche in questo caso, così come nel paragrafo precedente, l'interruttore meccanico può essere sostituito da
un dispositivo elettronico digitale che risulta piÙ veloce, meno ingombrante e più affidabile.
Analogamente al MUX, che usava una codifica binaria per selezionare una fra le varie uscite. Il numero delle
uscite direttamente selezionabili dipende dal numero degli ingressi di selezione o di indirizzo ed infatti
nell'SN 74154 che ha quattro ingressi di indirizzo, si può distribuire l'informazione ad una qualsiasi delle
sedici diverse uscite.
In relazione alle applicazioni dei decodificatori, selettori e distributori è utile porre in evidenza che:
a) qualsiasi decodificatore può essere utilizzato come demultiplexer;
b) qualsiasi demultiplexer può essere utilizzato come generatore di funzioni;
c) qualsiasi demultiplexer può essere utilizzato per generare forme canoniche di somme e prodotti.
Introduzione generale sui trasduttori
Trasduttori nella catena di aquisizione.
Classificazione .
Attivi.
Passivi.
Analogici.
Digitali.
Classificazione in base a caratteristiche fisiche.
Introduzione
Cos'e' un trasduttore: .e' un dispositivo in grado di trasformare (trasdurre) le variazioni di una
grandezza fisica non elettrica in una corrispondenti variazioni di una grandezza elettrica.E' un
dispositivo che viene eccitato dall'energia proveniente da un particolare sistema e fornisce
energia, solitamente sotto una diversa forma, ad un altro sistema. A cosa serve un trasduttore:
.i trasduttori vengono collegati con sistemi elettrici per fornire segnali elettrici indicativi dello
stato del fenomeno percepito. Essi, quindi, consentono di misurare e controllare, per mezzo di
apparecchiature elettroniche, le variazioni subite da grandezze fisiche di natura diversa quali,
ad esempio, la velocita' la temperatura, la pressione...
Il trasduttore nella catena di acquisizione dati .
La catena di acquisizione dati puo' essere schematicamente rappresentata da quattro grandi
blocchi logici nel seguente ordine: trasduzione,filtraggio ,condizionamento, e, conversione.
Evidentemente, dalle caratteristiche di uscita del primo blocco dipende sia la circuiteria di
filtraggio sia quella di condizionamento che adatta il segnale analogico alle caratteristiche
d'ingresso del convertitore. Per quanto concerne le realizzazioni pratiche bisogna porre molta
attenzione alle condizioni di lavoro del trasduttore. A questo scopo e' bene leggere
attentamente le documentazioni fornite assieme ai diversi prodotti. Queste specificano sempre
sia le caratteristiche generali del trasduttore sia i suoi limiti fisici e le migliori condizioni
ambientali di lavoro. A questo proposito e' bene leggere la pagina titolata,Caratteristiche
fisiche.
Classificazione
Attivi
Un trasduttore attivo e' un dispositivo di trasduzione che deriva tutta "l'energia" in uscita, se ne
emette, dal fenomeno fisico di ingresso. Questo tipo di trasduttore, dunque, non necessita di
alcuna alimentazione. Per essi, pero', esiste un grosso vincolo: la forma del segnale in uscita, e
la quantita' di energia emessa, e' limitata dalla quantita' di energia disponibile nel fenomeno
trasdotto e dalla efficienza della conversione.
Passivi
Un trasduttore attivo e' un dispositivo dotato di un ingresso fisico, di un segnale elettrico in
uscita e di un ingresso elettrico di eccitazione (un'alimentazione). La loro efficienza puo' essere
migliorata combinando diversi metalli e le caratteristiche d'uscita sono "garantite"
dall'alimentazione. Inoltre, la loro struttura e' semplice, la loro affidabilita' elevata e la loro
sensibilita' puo' essere regolata, variata, utilizzando serie di giunzioni metalliche.
Analogici
Per trasduttore analogico si intende qualsiasi dispositivo di trasduzione che presenti un segnale
di uscita che puo' assumere piu' di due valori (livelli). Esempio: .se il segnale d'uscita di un
dispositivo puo' assumere tre diversi livelli di tensione allora questo dispositivo si dice
analogico.
Digitali
Per trasduttore digitale si intende qualsiasi dispositivo di trasduzione che presenti un
segnale di uscita che puo' assumere solo due valori (livelli). Esempio: .se il segnale di
uscita di un dispositivo puo' assumere solo due livelli di tensione allora questo
dispositivo si dice digitale.
Classificazione in base a caratteristiche fisiche
capacitivi:sfruttano la variazione della capacita' di un condensatore;
elettroacustici:convertono segnali sonori in grandezze elettriche;
elettrodinamici:si basano sul pricipio della forza elettromotrice per misurare velocita'
(solitamente);
elettromagnetici usano il principio dell'induttanza elettrica per rilevare angoli di rotazione;
magnetostritivi:si fondano sul principio della permeabilita';
piezoelettrici : usano l'originarsi di una polarizzazione elettrica su facce opposte di cristalli
sottoposti a sollecitazioni (stress) fisiche;
resistivi : si basano sul principio .che la resistenza offerta da un materiale e' proporzionale alla
sua lunghezza.
TEORIA DEI TRASDUTTORI
Introduzione generale
Composizione della fibra ottica
Tipi di fibre di vetro
Introduzione generale
I concetti che spiegano la conduzione luminosa all'interno della fibra di vetro sono: la
distorsione della luce e la nella materia piu' sottile.
Composizione della fibra
Tipi di fibre di vetro
Per quanto riguarda le fibre di vetro si puo' effettuare una distinzione tra tre diversi tipi:
Con indice a gradini;
Con indice a gradienti;
Monomode
Queste tre "categorie" si distinguono tra loro per:
1)indice di rifrazione
2)attenuazione e costo.
Fibre con indice a gradini
Esse convogliano la luce sul mantello secondo il principio dell'apertura numerica.
L'attenuazione del segnale varia tra 250 e 500 db/Km. Vengono impiegate con sensori
fotoelettrici per trasporti a brevi distanze, circa 10 m.
Fibre con indice a gradienti
Conducono la luce in modo simile ad una funzione sinusoidale. Diversi strati sottili con indice
di rifrazione decrescenti vengono "smorzati" dal centro verso la periferia. L'attenuazione e' di
circa 5 - 50 db/Km. Sono impiegate per trasporti fino a diverse centinaia di metri.
Fibre monomode
Sono le fibre maggiormente utilizzate per la comunicazione a distanza. Il nucleo e' molto
sottile (2 - 10 micro millimetri) di diametro. IL mantello di protezione e', invece, molto spesso:
da 100 a 1000 micro millimetri. La luce, all'interno di queste fibre, scorre praticamente in
modo lineare, lungo l'asse della fibra stessa. L'attenuazione e' di circa 0.5 - 5 db/Km. Queste
particolari fibre vengono utilizzate per comunicazioni a grande distanza. Il rapporto fra il
prezzo delle varie fibre e' il seguente:
APPLICAZIONE DEI TRASDUTTORI
Trasduttori di temperatura
Sensori a semiconduttore
Alcune soluzioni pratiche
a mercurio
Termocoppie
RTD
Termistori
Trasduttori di forza
Trasduttori di pressione
Reostati e potenziometri
Piezoelettrici
Trasduttori di flusso
Trasduttori di livello
Trasduttori di umidità
Trasduttori di temperatura
Prefazione
La temperatura e', probabilmente, uno dei parametri fisici che meglio indica lo stato di un
sitema. Infatti, e' noto che la relazione tra processi chimici o fisici e variazione di temperatura
e' molto stretta. In questo modo, dunque, conoscendo il legame tra temperatura e grandezza da
rilevare risulta molto semplice ottenere una misura della grandezza interessata.
Sensori a semiconduttore
I sensori a semiconduttori basano il loro funzionamento su dispositivi al silicio sensibili alla
temperatura. Sono economici e disponibile in un gran numero di forme. Le tre principali
categorie sono:"bulk resistor" (resistenze pesanti); diodi; circuiti integrati.
La forma piu' semplice per i sensori di temperatura e' quella di piccoli pezzi di silicio pesante.
La variazione media della resistenza e' dell'ordine dello 0.7% per grado centigrado e la
linearita' e' di circa 0.5% per le temperature tra i -65º C ed i 200º C. La resitenza nominale
varia tra 10 e 10.000 ohm con tolleranze tra 1% e 20%. La potenza massima e di 1/4 di Watt.
Per quanto riguarda i sensori a giunzione la differenza di potenziale e' dell'ordine di 2.2 mV
per grado centigrado. Gli elementi piu' noti sono i diodi che vengono utilizzati sia
singolarmente sia in configurazioni a ponte.
Alcune soluzioni pratiche
L'interruttore termico bimetallico e', probabilmente, il trasduttore elettrico piu' semplice.
Questi tipo di dispositivo utilizza una coppia di metalli con differente coefficiente di
dilatazione per ottenere od interrompere un contatto elettrico.
Il termometro a mercurio con segnale elettrico di uscita e' solitamente considerato come un
interruttore termico bimetallico. Il suo tempo di risposta varia tra uno e cinque secondi e la sua
accuratezza (sensibilta') e' di 0.05º C. A causa della singolare struttura fisica il segnale di uscita
e' molto debole ed e' dell'ordine di alcuni mA. Per questo motivo, solitamente, all'uscita di
questo trasduttore vengono messi dispositivi amplificatori quali transistor o comparatori.
Le termocoppie sfruttano il principio che la temparatura influenza notevolmente il moto degli
elettroni e che questa influenza da varia da metallo a metallo. Data la particolare struttura fisica
risultano economiche, robuste e molto veloci e piccole. Gli unici "difetti" di questo tipo di
trasduttori sono la non linarita' della conversione e la scarsa potenza del segnale di uscita.
Questi problemi, comunque, possono esseri risolti con appropriati circuiti esterni.
Gli RTD (resistance temperature detector - sensori di temperatura a resistenza variabilie)
possono lavorare a temperature variabili tra i -250º C e i +850º C con una accuratezza di 0.001º
C. Il "range di funzionamento", comunque, dipende fortemente dal tipo di metallo utillizzato
per la trasduzione. La variazione della resistenza, nella maggior parte dei casi, e' d +0.4% per
grado centigrado. .
I termistori (resistenze termicamente sensibili), solitamente, lavorano a temperature tra i -100º
C e i +450ºC. Alcuni, comunque, possono essere utilizzati anche a temperature superiori ai
+1000º C. La variazione media della resistenza e' di -4.5% per grado centigrado. Questo genere
di trasduttori e' caratterizzato da una alta sensibilita', da un basso costo, da un andamento
esponenziale, da una elevata velocita' di risposta e da una scarsa linearita'. Nonstante cio',
grazie alle piu' recenti tecnologie si e' riusciti a migliorare notevolmente il grado di linearita'.
Trasduttori di forza
Tra gli elementi elettrici piu' utilizzati per la misurazione di forze vi sono: .resistenze
strain gage; .semicondutori strain gage; .trasduttori piezoelettrici. Il principio su cui
si basano tutti questi tipi di trasduttori e' molto semplice e sfrutta il principio che la
resistenza offerta da un materiale all'aatraversamento della corrente elettrica e'
direttamente proporzionale al quadrato della sua lunghezza. Dunque, e' facile
comprendere che applicando un carico variabile ad un capo del trasduttore si puo' far
variare la sua lunghezza.
Trasduttori di pressione
Esistono una grande varieta' di trasduttori di presione per quanto riguarda sia i gas sia i liquidi.
tra i piu' comuni vi sono: diaframmi, capsule, mantici, tubi a manometri, tubi Bourdon ... Essi
rilevano la variazione di altre variabili fisiche quali l'allungamento o lospostamento provocati
da una certa pressione. L'uscita di questi dispositivi viene, poi, accoppiata ad appropriati sitemi
elettrici cosi' da ottenere seganli elettrici elaborabili. Per quanto riguarda i tipi di misurazioni
effettuate si possono distinguere tre categorie differenti: - misuratori di pressione assoluta,
ovvero riferita allo zero (vuoto); - misuratori di pressione relativa, ovvero rierita alla pressione
atmosferica; - misuratori di differenze di pressione, ovvero misuano la differenza tra due
diverse pressioni.
Per quanto riguarda le applicazioni dei divesi tipi di trasduttori bisogna fare molta attenzone
alle specifiche. Alcuni, difatti, funzionano correttamente solo nei gas o solo nei liquidi. Per
quanto riguarda, poi, le misurazioni nei liquidi si deve prestare molta attenzione a non
utilizzare liquidi che possano corrodere od intaccare il trasduttore stesso. Infine, un ultimo
parametro molto importante e' quello della temperatura. Come la maggior parte dei trasduttori
anche questi sono particolarmente sensibili alle sue variazioni. Qui di seguito vengono citati i
piu' comuni trasduttori di pressione.
Reostati e potenziometri
I reostati ed i potenziometri convertono un moto rettilineo e rotatorio, provocato da un certa
pressione, in un segnale elettrico.
Piezoelettrici
I trasduttori di pressione piezolettrici vengono utilizati per misurazioni ad alta
frequenza. Infatti, sono spesso utilizzati per la conversione di segnali sonori (microfono
piezoelettrico).
Trasduttori di flusso
Innanzitutto si deve definire cosa si intende pr misurazione di flusso. Un flusso, difatti, e'
descritto da massa, volume, turbolenza, intensita', velocita'... SI comprende, dunque, che non e'
possibile dare una definizione univoca. Ogni volta, prima di decidere quale genere di
trasduttore utilizzare, si dovra' definire chiaramente il parametro da misurare cosi' da poter
effettuare la scelta migliore. La maggior parte dei trasduttori di flusso non sono altro che
particolari applicazioni dei trasduttori di pressione. Tra di essi, i piu' comuni sono: . i tubi
Pitot; . i cantilever; . ihinged(a cardine). Tutti e tre questi tipi sono basati su misuratori di
pressione adattati mediante semplici modifiche.
Trasduttori di livello
Un nome piu' appropriato per questo tipo di trasduttori e' "trasduttori di volume". Il tipo piu'
comuni e' quello presente nel serbatoio di ogni automobile. Alcuni tipi di trasduttori utilizzano
il liquido stesso come reostato e vengono utilizzati per misurare la conduttanza tra due aste
immerse nel liquido. Un altro metodo e' quello di effettuare un rilevamento ottico. La presenza
di liquido, ad esempio, impedisce alla luce di passare. In questo modo si puo' valutare molto
precisamente il livello di liquido. L'unico inconveniente e' dovuto al fatto che anche una
minima pendenza del serbatoio del liquido puo' sfalsare l'intera misurazione. Diversamente, si
puo' realizzare un trasduttore di livello usandone uno di pressione che rileva la differenza di
pressione tra due zone opposte del contenitore, il fondo e la copertura superiore. un ulteriore
possibilita' e' quella di misurare il livello di liquido indirettamente ovvero pesando il
contenitore e deducendo da esso la quantiita' di liquido contenuto. Infine, un ultimo metodo e'
quello acustico. In questo caso si misura il tempo che un certo eco impiega a rimbalzare sulla
superficie del liquido ed a tornare verso il punto in cui si è generato.
Trasduttori di umidità
I trasduttori di umidita' sono dei particolari trasduttori in grado di rilevare la variazione dell'
umidità. Sono costituiti da una pellicola di plastica su cui sono applicate delle lamine d'oro. A
seconda dell'umidità, dunque, la plastica si dilata, in modo da rendere possibile il
riconoscimento della variazione attraverso la variazione della resistenza offerta dall'insieme
delle lamine d'oro. L'unica sostanza che può danneggiare questo tipo di sensore, è il vapore di
acetone.
Tipologia trasduttori
secondo caratteristiche fisiche
Meccanici
Pneumatici
Elettrici
Ottici
Sonici
Trasduttori Meccanici
I trasduttori meccanici trasducono la variazione di una grandezza fisica in ingresso, in una
variazione di una grandezza meccanica in uscita. Essa puo ' essere uno spostamento se il
trasduttore e' del tipo libero oppure una forza se e' del tipo vincolato. Per quanto riguarda le
applicazioni, i tipi maggiormente diffusi sono:
deformazione meccanica.
deformazione elastica;
dilatazione termica.
Trasduttori Pneumatici
Questi trasduttori svolgono la funzione inversa di quelli meccanici. Essi, difatti, convertono
uno spostamento in una variazione di pressione proporzionale. La realizzazione piu' comune e'
quella del tegolo-ugello che offre ottime prestazioni ed una grande varieta' di applicazioni.
L'unico inconveniente e' che l'uscita diquesto tipo di trasduttori e', solitamente, un segnale di
bassa potenza.
Trasduttori Elettrici
Per quanto riguarda questo tipo di trasduttori bisogna effettuare una distinzione iniziale che
individua quattro diverse categorie differenti sia per campi applicativi sia per tecnologie
costruttive:
trasduttori convenzionali:
resistori;
capacita';
induttanze.
sensori a film spesso;
sensori a film sottile;
sensori a semiconduttore.
La principale differenza tra gli ultimi tre tipi di sensori riguarda la tecnologia di costruzione.
Ovviamente, questo implica una differenziazione delle applicazioni nonostante il principio di
trasduzione sia comune a tutti e tre.
Altri tipi di trasduttori elettrici sono:
magnetici; piezoresistivi; piezoelettrici; pirooelettrici; termolettrici; chemielettrici;
fotoelettrici.
Trasduttori Ottici
Per ottenere una radiazione elettromagnetica sufficiente eccitare termicamente, o mediante
diretta somministrazione di energia elettromagnetica,alcune particolari sorgenti. In questo
modo, si provoca l'aumento del movimento delle cariche elettriche a livello atomico. Questo,
di conseguenza, implica transizioni energetiche a livello atomico, ovvero l'emissione, tra le
altre cose, di radiazioni elettromagnetiche. Sfruttando questo principio e' possibile ottenere
radiazioni di lunghezza d'onda determinata, ad esempio, dalla temperatura di eccitazione;
ddifatti, seocndo la legge di Wien: lunghezza d'onda = 2897.9 / Temperatura assoluta. Inoltre,
se si considera la legge di Lambert: Intensita' raggio emergente = Intensita' raggio incidente *
esponenziale di (- coefficente di assorbimento del mezzo, spessore del mezzo) che lega
l'intensita' del raggio emesso al tipo di mezzo attraversato dal raggio incidenti.
Caratteristica di funzionamento
I sensori ed i trasduttori ottici lavorano nel campo della radizione elettromagnetica
secondo lo schema riportato di seguito: (figura pag.106.) Nonostante la banda delle
radiazioni visibili sia piuttosto limitata, in essa lavorano la maggior parte dei trasduttori
di questo tipo. Ultimamente, pero', si stanno diffondendo dispositivi che lavorano
nell'infrarosso e nell'ultravioletto. (Policromatitci,monocromatici,nucleari)
Trasduttori Sonici
Questi trasduttori sfruttano la capacita' dei diversi materiali di propogare il suono per misurare
spostamenti e velocita'. (La velocita' di propagazione dipende dalla massa del mezzo, dalla
densita' e dalla temperatura del mezzo attraverasato.) La maggior parte delle applicazioni
prevede il loro utilizzo per rilevamenti riguardanti i fluidi. .Il loro campo di azione sono e',
solitamente, quello degli ultrasuoni, tra i 10 kHz ed i 10 MHz. .Il principio su cui basano il loro
funzionamento e' molto semplice ovvero in seguito ad un impulso elettrico, essi trasmettono un
segnale acustico (si utilizza trasduttore piezoelettrico), attraverso un certo materiale, fino ad un
ricevitore piezoeletrico. A questo punto si distinguono due differenti classi di trasduttori che
differiscono per principio di misura: a tempo di transito; ad effetto Doppler.
Catena di acquisizione dati
SENSORI
Il sensore o trasduttore è il primo elemento della catena di acquisizione dati. La sua funzione è
quella di acquisire in ingresso una grandezza fisica e di fornire in uscita una grandezza elettrica
(generalmente tensione, ma esistono anche trasduttori resistivi e di corrente). Esistono due tipi
di trasduttori, quelli attivi che in corrispondenza di un ingresso generano autonomamente
l'uscita. Invece i trasduttori passivi hanno bisogno di una alimentazione di eccitazione per poter
generare l'uscita. Per poter scegliere il sensore migliore per una applicazione bisogna tener
conto di alcuni parametri:
la funzione di trasferimento, cioè la relazione tra la grandezza da
acquisire e l'uscita del sensore stesso;
l'intervallo della linearità, deve essere così grande da consentire una
buona funzione di trasferimento;
la sensibilità: esprime il rapporto fra la variazione di grandezza di
ingresso e la variazione di quella di uscita;
l'errore di misura, rappresenta l'errore tra la grandezza reale e quella
misurata;
le caratteristiche dinamiche che rappresentano il comportamento del
sensore se l'ingresso compie brusche variazioni;
il tipo di segnale di uscita desiderato; in base ad esso si può scegliere di
utilizzare un sensore resistivo invece di uno di tensione, oppure un
sensore ad uscita analogica al posto di una digitale.
FILTRI
Il filtro posizionato dopo il sensore non permette alle armoniche ad alta frequenza di
passare, permettendo un campionamento migliore per il noto teorema di Shannon.
CAMPIONAMENTO
Il circuito di campionamento (per esempio il sample and hold) permette alla parte di
circuito interessata di avere il tempo sufficiente per convertire il segnale campionato.
L'importanza di questo circuito è molto grande perchè permette molto semplicemente il
dimensionamento del tempo di campionamento per migliorare la conversione.
CONDIZIONAMENTO
Questa parte della catena può essere composta da più parti, che non sono sempre
presenti. Queste circuiti aggiuntivi possono essere:
I.
II.
III.
-amplificatore
-sommatore di offset positivo o negativo
-ecc....
questi circuiti servono a modificare il segnale da convertire in modo da farlo rientrare nei
parametri del convertitore, per poter aver così un segnale che non crei errori di nessun genere.
CONVERSIONE
La conversione è la parte della catena di acquisizione dati in cui il dato analogico viene
convertito in dato digitale corrispondente. Questa conversione è eseguita dal ADC
(Convertitore Analogico-Digitale), il quale ha in ingresso il dato analogico che è già passato
attraverso le fasi precedenti mentre in uscita ha il dato digitale su N bit con un errore di un
LSB in più o in meno. LSB è il bit meno significativo mentre MSB è il bit più significativo.
Quindi si può notare come la precisine è dovuta dal numero di bit e dalla massima ampiezza
del segnale di ingresso, infatti più valori di uscita ci sono in un arco di valori più il
campionamento sarà preciso.
Comandare con la luce
Il circuito che analizzeremo questa volta costituisce un automatismo, sia pure nella sua forma
più semplice, in grado di comandare un evento in funzione della luce ambiente. Tanto per fare
qualche esempio, è possibile ottenere che una o più lampade si accendano quando la luce
naturale si abbassa al di sotto di un certo livello, oppure azionare un segnale acustico, un
motore o qualsiasi altro dispositivo elettrico, funzionante a qualsiasi tensione e qualunque sia
la potenza da esso assorbita.
Le fotoresistenze
L'elemento che rileva la luminosità è in questo caso una
fotoresistenza:
fotoresistenza
si tratta di una resistenza particolare, il cui valore cambia sensibilmente in funzione della
luce che la investe. A seconda del tipo, una fotoresistenza può misurare ad esempio circa 1
megaohm al buio e solo poche decine di kilo-ohm in piena luce. Il modo di impiegare una
fotoresistenza è semplice: come si vede nello schema a destra, la fotoresistenza, indicata
con FTR, fa parte del circuito di base del transistor; finchè c'è luce sufficiente, il valore di
FTR rimane basso, per cui la corrente proveniente dal polo positivo attraverso R1 ed RV
passa nella fotoresistenza e ritorna a massa, senza interessare il transistor. Quando la luce
diminuisce, il valore della fotoresistenza aumenta, fino al momento in cui la corrente
poveniente da RV, trovando una via di minor resistenza, comincia a entrare nella base del
transistor. Il transistor passa così in conduzione, cioè, come abbiamo visto nella lezione
precedente, lascia passare corrente nel suo circuito di collettore. La bobina del relè viene
quindi attraversata dalla corrente di collettore del transistor, ed il relè scatta, cioè chiude il
contatto C. Quando la luce ambiente aumenta, la corrente di base ricomincia a passare
nella FTR, la cui resistenza è tornata bassa; il transistor non conduce più ed il relè si
diseccita, riaprendo il contatto C.
La
resistenza
Cos'e' e come
RV che si
funziona
un
trova
nel
circuito di
relè
base
del
transistor, è
una
resistenza
variabile,
detta anche
due tipi di resistenze variabili
trimmer.
Nella
pratica può
avere
l'aspetto di
uno dei tipi
che
si
vedono
nella figura
a sinistra; si tratta comunque di una resistenza il
Un relè è sostanzialmente un
cui valore può essere regolato tra zero e il
interruttore, cioè un dispositivo in
massimo (che è il valore indicato sulla
grado di aprire e chiudere un
resistenza stessa) facendo ruotare con un
circuito.
A
differenza
cacciavite un contatto strisciante che scorre su
dell'interruttore però, il relè non
una superficie di materiale ad alta resistività. La
viene azionato a mano, ma da un
resistenza variabile è stata inserita per poter
elettromagnete, costituito da una
regolare con precisione il punto d'intervento,
bobina di filo avvolto intorno ad un
nucleo di materiale magnetico.
ovvero determinare con che luminosità il relè si
Quando passa corrente nella
chiude e mette in funzione ciò che vi è
bobina di filo, si crea un campo
collegato. Supponiamo che il vostro circuito si
magnetico che attira l'ancoretta
ecciti, cioè il relè si chiuda ed accenda le
secondo la freccia rossa verticale;
lampade, quando c'è ancora abbastanza luce; se
l'ancoretta ruota e spinge il
volete che il circuito intervenga quando è più
contatto centrale C verso destra,
buio, ruotate la RV così da aumentarne il
secondo la freccia orizzontale. In
valore: in questo modo, affinchè la corrente che
questo modo, il collegamento tra il
entra sulla base del transistor riesca a portarlo in
contatto centrale e quello di
conduzione, occorrerà che la FTR abbia un
sinistra (nc) si apre, mentre si
valore più alto, e cioè che sia più buio. La
chiude il collegamento tra il
resistenza R1 serve per proteggere il transistor
contatto centrale e quello di destra
nel caso che si regoli la RV su valori troppo
(na). Il contatto di sinistra viene
bassi: se non ci fosse R1, potrebbe entrare nella
definito nc, cioè normalmente
base del transistor una corrente troppo alta e
chiuso, perchè è tale quando il relè
distruggerlo. Il vantaggio del relè è che i due
è a riposo. Allo stesso modo l'altro
circuiti, cioè quello di comando e quello di
contatto, aperto quando il relè non
utilizzazione, sono completamente separati, e
è eccitato, viene definito na, cioè
possono quindi funzionare con tensioni diverse.
normalmente aperto.
L'importante è che il circuito di comando invii
alla bobina la giusta corrente, e che il circuito di utilizzazione faccia uso di contatti in
grado di sopportare la corrente richiesta dal carico collegato. Questo significa che se col
relè voglio accendere e spegnere una lampadina da 100 watt a 220 volt, saranno sufficienti
contatti per 1 ampere; se invece voglio comandare, supponiamo, una serie di 10 faretti,
ciascuno con lampada da 500 watt, avrò bisogno di un relè ben più robusto, con contatti
adeguati ad una corrente di circa 30 ampere. In effetti sarebbe possibile fare a meno di un
relè, e comandare altri utilizzatori, come lampade,
allarmi, ecc, usando soltanto componenti elettronici;
l'uso del relè è tuttavia più semplice e permette la
massima libertà di utilizzo, senza vincoli di carico o di
tensioni. Nell' immagine a fianco è evidenziato il modo
di utilizzare questo circuito, ovvero come deve essere
collegato un utilizzatore esterno perchè venga
comandato dal relè. Nell'esempio si vede una normale
lampadina di quelle che usiamo nelle nostre case
collegandole alla rete a 220 V. Partendo dalla spina, un
filo arriva direttamente alla lampada, mentre l'altro
passa attraverso i contatti del relè, che è quindi in grado
di accendere e spegnere la lampadina. I due terminali
sono indicati con na, perchè si tratta di un contatto
normalmente aperto, cioè di un contatto che si chiude
solo quando il relè si eccita.
La funzione del diodo D
Tutte le volte che ci troviamo ad avere a che fare con avvolgimenti di filo intorno a nuclei
metallici, possiamo parlare di carichi induttivi. Senza scendere troppo nei dettagli, diciamo
che ci sono importanti differenze tra gli effetti di un carico induttivo e quelli di una normale
resistenza inseriti in circuito. Se noi applichiamo tensione ai capi di una resistenza, questa
viene subito percorsa da corrente; quando stacchiamo tensione, la corrente cessa. Se invece
applichiamo tensione a un carico induttivo, come la bobina di eccitazione del relè (o
elettrocalamita), la corrente non circola immediatamente, ma dopo un certo intervallo di
tempo. Successivamente, nel momento in cui tentiamo di staccare la tensione, la corrente tende
a circolare ancora per qualche istante, per cui si creano extra correnti di apertura e tensioni di
segno inverso. I transistori possono essere danneggiati da tensioni troppo elevate o di segno
contrario a quello richiesto dalla loro polarità, e quindi occorre proteggerli dagli effetti
pericolosi dei carichi induttivi. A questo provvede il diodo D, che risulta collegato in parallelo
alla bobina del relè, col polo positivo rivolto verso il positivo della alimentazione.
Normalmente nel diodo D non passa alcuna corrente, poichè esso è collegato in senso contrario
rispetto all'alimentazione del circuito; quando però ai capi della bobina del relè tende a
formarsi una tensione inversa, il diodo passa subito in conduzione e praticamente annulla la
tensione pericolosa.
I componenti per questo circuito:
- Un relè la cui bobina funzioni a 9 volt in corrente continua, e che sia dotato di almeno un
contatto normalmente aperto; i contatti dovranno essere adeguati alla potenza dell'utilizzatore
che volete collegarvi- FTR: fotoresistenza avente un valore di circa 1 Mohm al buio e di
qualche Kohm alla luce- RV: trimmer (resistenza variabile) da circa 47 Kohm- R1: resistenza
da 2,2 Kohm - Un transistor NPN tipo BC108 o equivalenti- D: diodo tipo 1N4001 o
equivalenti
GLI AMPLIFICATORI OPERAZIONALI
L'amplificatore operazionale come circuito integrato è uno dei circuiti lineari
maggiormente usati. Grazie alla produzione in larghissima scala, il suo prezzo è sceso a
livelli talmente bassi da renderne conveniente l'uso in quasi tutte le possibili aree
applicative.
L'amplificatore operazionale è un amplificatore in continua: ciò significa che esiste una
continuità elettrica fra ingresso e uscita; il nome di "operazionale" è dovuto all'uso per cui
era nato tale amplificatore, e cioè il funzionamento all'interno di elaboratori analogici per
l'esecuzione di operazioni matematiche. Nella sua forma più semplice (figura 1), un
amplificatore operazionale è composto essenzialmente da uno stadio d'ingresso, da un
secondo stadio amplificatore differenziale e da uno stadio di uscita in classe AB, del tipo
"emitter follower".
figura 1 - schema di base di un amplificatore operazionale
Un amplificatore operazionale ideale dovrebbe avere, in particolare, amplificazione e
resistenza d'ingresso elevatissime (praticamente infinite) e resistenza di uscita bassissima
(uguale a zero); gli amplificatori operazionali reali si avvicinano in parte a tali caratteristiche,
per cui hanno una resistenza d'ingresso molto grande, una resistenza di uscita molto piccola ed
una amplificazione, ovvero un guadagno in tensione, moto alto ma pur sempre limitato. A
titolo di esempio, uno dei più usati, il µA741, ha un guadagno di 200000, una resistenza
d'ingresso di 2 Mohm ed una resistenza di uscita di 75 ohm. La corrente che un amplificatore
operazionale può fornire in uscita in genere non supera i 25mA.Senza approfondirne
ulteriormente il funzionamento, passiamo adesso a considerare l'aspetto esterno di un
amplificatore operazionale, vale a dire la forma in cui esso si presenta pronto all'uso. Uno degli
amplificatori operazionali più conosciuti, come già detto, è il 741, disponibile abitualmente in
contenitore metallico tondo oppure in contenitore plastico DIL; la sua sigla cambia a seconda
dei costruttori, diventando LM741, oppure µA741, o altro ancora.
figura 2 - l'amplificatore LM741 nelle vesioni in contenitore metallico tondo ed in contenitore
plastico Dual In Line
Per l'identificazione dei vari piedini si fa riferimento agli schemi della figura 2, dove i
piedini sono raffigurati visti da sopra; nel caso del tipo tondo, il numero 8 corrisponde alla
tacca presente sull’involucro metallico.Per tener fede all'indirizzo soprattutto pratico di
questo corso, non ci dilungheremo sulle equazioni caratteristiche e sulle problematiche
progettuali degli amplificatori operazionali, ma li tratteremo come un'unità funzionale,
dotata di ingressi e uscite, con determinate caratteristiche.
In figura 3 vediamo il nostro
amplificatore operazionale, per
esempio un LM741, inserito in un
circuito
che
consente
di
sperimentarne il funzionamento.
Osserviamo che l'operazionale ha
due ingressi, contrassegnati con un
"-" (piedino 2) e con un "+"
(piedino 3); ci sono poi un'uscita,
indicata con OUT (piedino 6), e
due terminali per l'alimentazione
dell'integrato (piedini 7 e 4).
Perchè gli ingressi sono due?
Perchè
l'almplificatore
operazionale è prima di tutto un
figura 3 - circuito test
amplificatore "differenziale"; ciò
vuol dire che il segnale presente in
uscita non dipende solo da uno o dall'altro degli ingressi, ma da tutti e due, ed
esattamente dalla differenza che esiste fra il segnale applicato su un ingresso ed il
segnale applicato sull'altro. E' proprio qui che si evidenzia la principale
caratteristica di un simile circuito: è sufficiente che fra i due ingressi vi sia una
differenza di tensione anche di pochi µV, perchè l'uscita cambi completamente il
suo stato, passando per esempio da zero al massimo valore della tensione di
alimentazione.
Supponiamo di alimentare il circuito con 10 V, e che le due resistenze R1 ed R2
abbiano lo stesso valore: la tensione di alimentazione sarà allora presente per
metà ai capi di R1 e per metà ai capi di R2; in altre parole, al centro, e quindi sul
piedino 3 dell'integrato, ci saranno esattamente 5 V. Il piedino 2 è collegato invece
ad RV1, che è una resistenza variabile: possiamo quindi far variare a piacere la
tensione che risulta applicata sul piedino 2 dell'amplificatore operazionale.
figura 4
figura 5
Spostiamo il cursore di RV1 in modo da portarlo verso il positivo (figura 4), applicando così al
piedino 2 una tensione senz'altro superiore a 5V, e quindi leggiamo, con un tester, la tensione
presente in uscita: troveremo un valore molto vicino allo zero. Spostiamo adesso il cursore di
RV1 in modo da portarlo in basso (figura 5), verso la tensione zero, applicando così al piedino
2 una tensione senz'altro inferiore a 5V, e quindi leggiamo la tensione in uscita: troveremo un
valore molto vicino alla tensione di alimentazione (che è 10 V). Quello che abbiamo appena
constatato ci permette di formulare la regola basilare del funzionamento del nostro
amplificatore operazionale: quando la tensione sul piedino "-" è maggiore della tensione sul
piedino "+" l'uscita è a livello basso (cioè prossimo a zero); quando la tensione sul piedino "-"
è minore della tensione sul piedino "+" l'uscita è a livello alto (cioè prossimo alla tensione di
alimentazione).Ma, come già si è detto, non occorre che la tensione sul piedino 2 vari di alcuni
volt: sono sufficienti pochi milionesimi di volt per provocare la "commutazione" dell'uscita. Se
vi divertite ad osservare la tensione indicata dal tester mentre ruotate RV1, vedrete che ad un
certo istante, di colpo, la tensione in uscita passa da zero al massimo, o viceversa; potete
tornare indietro, spostare il cursore di RV1 quanto volete, ma non riuscirete mai a trovare una
posizione tale che permetta di avere in uscita un valore intermedio, vicino alla metà della
tensione di alimentazione. Poichè, come si è visto, quando l'ingresso "-" è a tensione più alta,
l'uscita è a livello basso, si dice che tale ingresso è "invertente".Se invece avessimo collegato a
tensione fissa il piedino 2, variando la tensione del piedino 3, avremmo riscontrato le stesse
variazioni della tensione di uscita, ma con verso corrispondente alla tensione applicata
sull'ingresso "+"; per tale motivo, l'ingresso "+" viene chiamato "ingresso non
invertente".Usato come amplificatore, l'operazionale presenta la caratteristica di amplificare
qualsiasi segnale applicato in ingresso: sia un normale segnale variabile, caratterizzato da
determinate frequenze, sia una tensione con fluttuazioni lentissime o, addirittura, di valore
costante. Parlando in termini di frequenza, si dice quindi che l'amplificatore operazionale
lavora con frequenze da zero (corrente continua) fino ad un valore massimo, determinato dalle
caratteristiche specifiche dell'amplificatore stesso. A questo proposito, è opportuno accennare
brevemente ad un parametro caratteristico degli amplificatori operazionali: si tratta del
prodotto guadagno x larghezza di banda, che per ogni amplificatore operazionale ha un preciso
valore, fisso ed immutabile. Tale parametro ci dice, in pratica, che se noi utilizziamo
l'amplificatore in modo da ottenere una maggior amplificazione, perdiamo proporzionalmente
in larghezza di banda, e cioè possiamo amplificare segnali in un campo di frequenze più
limitato. Il µA741, per esempio, ha una larghezza di banda di 1Mhz quando il guadagno è
uguale a 1; se viene usato in modo da amplificare 100 volte, la larghezza di banda si riduce di
100 volte, e passa quindi a 10Khz. Il guadagno più alto è utilizzabile quando l'amplificatore
lavora con frequenze bassissime o con tensioni continue: in tali casi il guadagno può essere
uguale o superiore a 100.000. Ma come si determina l'amplificazione di un operazionale?
L'amplificatore operazionale, come amplificatore in continua, può essere utilizzato in diverse
configurazioni, di cui adesso vedremo le più comuni.
figura 6 - amplificatore invertente
Amplificatore invertente: lo
schema è quello di figura 6. La
tensione Vi viene applicata
all'ingresso invertente attraverso
la resistenza R1; Vu è la tensione
amplificata che si ritrova in
uscita. La resistenza R2 riporta
all'entrata parte del segnale in
uscita, realizzando in tal modo
quella che viene detta
"controreazione"; senza R2,
l'operazionale non potrebbe
funzionare come amplificatore
lineare, poichè la sua uscita
commuterebbe con estrema
rapidità fra un valore minimo
(prossimo a zero) ed un valore
massimo (prossimo alla tensione
di alimentazione).
L'amplificazione del circuito di
figura 6 dipende dalle due
resistenze R1 ed R2, secondo la
formula
Av = R2 / R1 (ciò significa che se
R2 è di valore più basso, si ha
più controreazione e quindi il
guadagno è minore).
Vediamo un esempio pratico:
R1 = 100 Kohm (cioè 100.000
ohm)
R2 = 1 Mohm (cioè 1.000.000 di
ohm)
Vi= 1mV
L'amplificazione Vu/Vi sarà:
Av=1.000.000:100.000=10
Poichè l'amplificazione è 10, con
1 mV in entrata avremo in uscita
10 mV
Osserviamo che il segnale in
uscita è invertito, ovvero è di
segno opposto a quello in
entrata; se Vi aumenta, Vu
diminuisce, e viceversa.
Amplificatore non invertente: nello
schema di figura 7 vediamo che il
segnale d'ingresso viene applicato
all'ingresso contrassegnato col "+",
ovvero a quello non invertente. In
questo caso, infatti, il segnale in
uscita ha lo stesso segno di quello
inentrata.
In questo caso, l'amplificazione è
data dalla formula:
Av = (R1 + R2) / R1
Anche per l'amplificatore non
invertente, come si vede dallo
schema, la resistenza R2 determina
una certa quantità di reazione
negativa (o controreazione), che
diminuisce il guadagno
dell'amplificatore ma gli consente di
lavorare linearmente.
figura 8 - buffer a guadagno
unitario
figura 7 - amplificatore non
invertente
Buffer a guadagno unitario: il
circuito di figura 8 mostra l'utilizzo
dell'operazionale come "buffer". Col
termine "buffer" si intende un
circuito che svolge una funzione di
separazione o di adattamento; nel
caso specifico, il circuito presenta la
più alta impedenza d'ingresso
ottenibile con gli amplificatori
operazionali. Per ottenere tale
risultato, si applica il massimo
valore possibile di controreazione,
collegando direttamente l'uscita con
l'ingresso invertente. Per tale
motivo, il guadagno di questo
circuito è uguale a 1, il che vuol dire
che il circuito non amplifica
(essendo il segnale di uscita uguale
a quello di entrata);in altre
parole,non si ottiene un guadagno
di tensione,ma di impedenza.
Circuiti comparatori
- Generalità
I comparatori sono dispositivi che confrontano le tensioni applicate ai loro due ingressi;
l'uscita, alta o bassa, corrisponde al risultato del confronto.
I più semplici comparatori sono quelli costituiti da un amplificatore operazionale usato "così
com'è", cioè non reazionato e con i segnali applicati direttamente agli ingressi; questi sono
semplici comparatori a soglia, nei quali la soglia di intervento equivale alla tensione di
riferimento Vref:
Data la caratteristica di amplificazione infinita dell'amplificatore operazionale ideale e
l'assenza di reazione negativa, si ottiene che l'uscita "Vu" assume il valore della tensione di
saturazione positiva per "V + > V -", oppure della tensione di saturazione negativa per "V + < V
-" : questo comportamento è evidenziato dai grafici delle caratteristiche sopra riportati.
In un comparatore a soglia, ponendo la tensione di riferimento uguale a zero, si ottiene un
"rivelatore di zero" (crossing detector):
In generale, nel caso in cui si voglia limitare e stabilizzare le tensioni di uscita, è possibile
ricorrere a due diodi zener contrapposti, come di seguito raffigurati:
Se si vuole comandare l'accensione o lo spegnimento di un dispositivo, è possibile collegare
all'uscita del comparatore un partitore (per ridurne la tensione), un transistor (in configurazione
on/off, ovvero da usare come se fosse un interruttore) ed un relè. Esistono molte altre
soluzioni, ad esempio è possibile comandare un dispositivo per via ottica, usando un fototriac
insieme ad un triac di potenza.
Tenendo conto dei valori reali di un a.o., quantificabili con A=10 5 e Vsat=12V, si può
calcolare la minima tensione di ingresso "Vi", necessaria per portare l'a.o. in saturazione
(condizione necessaria per il corretto funzionamento del comparatore):
Vi min = ± Vsat / A = ± 12V / 10 5 = ± 120 uV
Ciò significa che, per valori della Vi compresi tra -120uV e +120uV, il comparatore non
assicura un'uscita costante: si ha quindi una "zona di indeterminazione", ovvero una fascia di
valori del segnale di ingresso entro la quale il segnale viene amplificato, ma senza saturare.
A questo inconveniente, va aggiunta la difficoltà pratica di utilizzo del semplice comparatore
a soglia in quelle applicazione in cui sia richiesto il controllo on/off di un dispositivo: se infatti
l'errore, cioè la differenza tra il segnale variabile "Vs" e quello di riferimento "Vref", è piccolo
o addirittura trascurabile, il comparatore sarà instabile, accendendo e spegnendo ripetutamente
il dispositivo.
Il trigger di Schmitt pone rimedio a questi problemi, creando una zona di insensibilità
(isteres), compresa entro due soglie di intervento.
Il trigger di Schmitt
Il trigger di Schmitt pone rimedio ai problemi del semplice comparatore a soglia (vedi),
creando una zona di insensibilità, detta isteresi, compresa entro due soglie di intervento. Nella
caratteristica sotto riportata, "Vsi" è la "tensione di soglia inferiore", mentre "Vss" è la
"tensione di soglia superiore": quando il segnale in ingresso "Vs" assume valori vicini a quello
del segnale di riferimento "Vref", ma compresi nell'intervallo dell'isteresi, cioè tra "Vsi" e
"Vss", il comparatore si mantiene stabile e non commuta.
Analisi dello schema elettrico
La reazione positiva, aumentando l'amplificazione del circuito, permette una transizione più
rapida fra i livelli di uscita. La resistenza R3, che non è necessaria, è stata inserita per ridurre
l'errore dovuto alle correnti di polarizzazione degli ingressi dell'operazionale (R3 = R1 || R2).
La tensione di ingresso Vs viene confrontata con la tensione V+, che assume automaticamente
il valore della tensione di soglia inferiore o superiore, in base all'ultima commutazione
dell'uscita del comparatore.
Ad esempio, se in questo istante l'uscita è alta (Vu = +Vsat), il comparatore non commuterà
finché il segnale in ingresso Vs non supererà la tensione V+, che in questo istante è uguale a
Vss. Invece, nel momento in cui l'uscita è bassa (Vu = -Vsat), la successiva commutazione
avverà quando Vs sarà minore Vsi.
Formule pratiche
Si supponga di voler dimensionare un comparatore ad isteresi conoscendo soltanto quali valori
dovranno assumere le tensioni di soglia, oppure di volerne analizzare uno già dimensionato; in
entrambi i casi, saranno utili le seguenti formule:
Calcolo delle tensioni di soglia in un trigger di Schmitt già dimensionato
Calcolo delle resistenze e della tensione di riferimento conoscendo i valori delle
soglie
Analisi della caratteristica di trasferimento
Vengono ora riportate due prove di laboratorio per lo studio del trigger di Schmitt.
Il metodo di analisi è lo stesso finora esaminato.
1ª
prova
Si consideri il caso in cui le resistenze R1 ed R2 abbiano lo stesso valore e il segnale di
riferimento sia nullo; per evidenziare il comportamento del comparatore, viene applicata in
ingresso un'onda sinusoidale.
Schema elettrico
Grafico dell'oscilloscopio
Verifica delle tensioni di soglia
Caratteristicadll'isteresi
2ª prova
Lo schema elettrico è uguale al precedente, cambia soltanto il segnale di riferimento, che è
impostato a +5V; si vuole verificare che la caratteristica dell'isteresi non sia più centrata sullo
zero, ma traslata verso destra.
Schema elettrico
Grafico dell'oscilloscopio
Verifica delle tensioni di soglia
Caratteristica dell'isteresi
(il grafico, rispetto alla precedente prova, è traslato verso destra poiché la tensione di
riferimento è positiva; se invece fosse stata negativa, il grafico sarebbe stato traslato verso
sinistra)
Strumenti di misura utilizzati
Torretta di alimentazione Power supply V30 :+12V 0V -12V;+5V
0V;+6V 0V
Multimetro digtale Megatron M92 A
Relazione sui risultati ottenuti
Gli obbiettivi per la realizzazione di questo circuito sono stati raggiunti .Rispetto ai
calcoli teorici e simulati sono apportate delle minime modifiche a livello pratico in
quanto le tensioni di alimentazione dell’operazionale discostavano di circa 2 V del
valore;inoltre c’è da tenere conto della tolleranza dei componenti utilizzati.Per
interfacciare i blocchi “Acquisizione dati” con il MUX e DEMUX è stato posto in
uscita di ogni rilevatore un diodo zener di 5.1V
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