INDICE
LUXMETRO DIGITALE ........................................................................................................................................... 2
BLOCCO 1 ................................................................................................................................................................... 2
Trasduttore fotoelettrico........................................................................................................................................... 2
BLOCCO 2 ................................................................................................................................................................... 3
Convertitore I-V........................................................................................................................................................ 3
BLOCCO 3 ................................................................................................................................................................... 3
Voltmetro digitale ..................................................................................................................................................... 3
BLOCCO 4 ................................................................................................................................................................... 6
Displays .................................................................................................................................................................... 6
REGOLAZIONI E TARATURE ............................................................................................................................................ 7
LUXMETRO DIGITALE LX 545
Cucinotta Sunny
Ferrari Alessandro
classe 5BI a.s. 94-95
corso TIEE Tecnico Industrie Elettriche ed Elettroniche
docenti:
prof. Cleto Azzani
prof. Vitonofrio de Trizio
IPSIA MORETTO BRESCIA
LUXMETRO DIGITALE
Il luxmetro digitale è uno strumento in grado di misurare la quantita’ di luce presente in un dato
ambiente. E’ uno strumento che in campo industriale , e non ,può essere molto utile.
L’applicazione più frequente è quella nel lavoro del fotografo che per eseguire i suoi lavori deve
tener conto dell’intensità luminosa. Altre applicazioni sono nell’industria ceramica. E’ possibile
infatti rilevare le diverse tonalità di colore delle diverse ceramiche. E’ possibile scomporre
l’apparecchiatura, per semplicitàdi comprensione, in quattro blocchi principali come nella figura
che segue:
Luce
Trasduttore
(fotodiodo)
I
Convertitore
Corrente-tensione
V
Voltmetro
Digitale
Display
Come si può vedere ogni blocco ha una particolare funzione. Passeremo ora a spiegarne il
funzionamento separatamente :
BLOCCO 1
Trasduttore fotoelettrico
Il trasduttore fotoelettrico, il cui simbolo elettrico è riportato qui di fianco, è
un elemento che converte la quantità di luce che lo colpisce, in una corrente
in uscita proporzionale alla intensità della luce stessa. Precisamente il
nostro circuito si avvale del fotodiodo BPW34 con la seguente
caratteristica :
BPW34
(10-6)A
Caratteristica del fotodiodo BPW34
1000
700
100
70
10
7
1
0,7
0,1
10
100
1000
10000
Lux
I fotodiodi sono elementi circuitali che per funzionare debbono essere polarizzati inversamente.
Costruttivamente è costituito dalla giunzione annegata in un blocchetto di plastica trasparente .In
questo modo i raggi luminosi possono colpire direttamente una faccia della barretta ,mentre l’altra
viene oscurata dalla verniciatura .Sulla faccia trasparente viene inserita una lente di materiale
plastico per convergere l’energia luminosa sulla giunzione cosicchè le dispersioni siano
piccolissime. Essendo polarizzati inversamente la sola corrente circolante è quella inversa .In
condizioni di buio presentano una ridottissima corrente circolante (centinaia di µA) . Esposti alla
2
luce ,i raggi luminosi vanno ad urtare le coppie elettrone-lacuna cosicchè , dividendole , liberano gli
elettroni .Questi vanno a sommarsi alla corrente inversa già circolante , aumentandone il valore .
Poichè la quantità di elettroni è proporzionale all’ incidenza della quantità luminosa , possiamo
affermare che la corrente uscente ,dal fotodiodo è proporzionale alla luce che incide su di esso.
Come è possibile vedere , dalla curva caratteristica del diodo a nostra disposizione , oltre la corrente
di buio la crescita della stessa è perfettamente lineare .
BLOCCO 2
Convertitore I-V
Il fotodiodo viene alimentato da una tensione costante di valore pari a 5 V grazie ad un fissatore d’
ingresso (IC1). Tramite un filtro RC (fig.2) passa basso si eliminano le frequenze indesiderate in
ingresso al fotodiodo. La f.d.t. del filtro è pari a :
fT =
1
= 7 ,2Hz
2 ⋅ π ⋅ RC
Av
(dB)
BPW34
R
Av=V0/Vi
Voltmetro
digitale
I
V
Vi
C
Vo
COnvertitore
I-V
R1
R2
R3
Sw1
Freq.
(Hz)
f.d.t.
fig.3
fig.2
Quando il fotodiodo , colpito da raggi luminosi , produce una corrente , questa va a percorrere una
delle tre resistenze poste a monte (vedi fig.3) . Tramite il deviatore andiamo a scegliere la scala di
conversione . Passando attraverso la resistenza ,la corrente crea una caduta di tensione La ddp varia
al variare della corrente che a sua volta varia con il variare della luce incidente sul fotodiodo . Con
correnti elevate (luce intensa ) viene usata una resistenza bassa , così da avere una ddp minore.
Prelevando la tensione ai capi della resistenza abbiamo ottenuto il convertitore I-V .
BLOCCO 3
Voltmetro digitale
Il blocco di conversione della tensione analogica, proveniente dal convertitore I/V, in una parola
digitale di uscita atta a pilotare la parte di visualizzazione sui display, è svolta dal convertitore A/D
CA3162 e dal Decoder Driver CA3161, che essenzialmente realizzano un voltmetro digitale. E'
3
bene precisare che il convertitore ha un campo di misura che va da -99 mV a +999mV. E' chiaro
allora che per estendere il campo di misurazione, si è ricorsi all'uso di un partitore resistivo in
ingresso che permettesse di attenuare di 10, 100 e 1000 volte la tensione applicata al suo ingresso.
V
Voltmetro
digitale
Decodifica
CA3162
Displays
CA3161
Nella figura che segue, viene mostrato lo schema a blocchi interno del convertitore A/D CA3162.
+V
ZERO
ADJUSTMENT
BCD OUTPUTS
CONTROL LOGIC
COUNTERS
MULTIPLEXER
DIGIT
DRIVE
DIGIT
SELECT
OUTPUTS
FREQUENCY DIVIDER
HI INPUT
V/I CONVERTER
LOW INPUT
Iref
TRESHOLD
DETECTOR
BAND GAP
REFERENCE
OSCILLATOR
CURRENT
GENERATOR
GAIN
ADJUST.
HOLD
HOLD
BYPASS
HIGH SPEED
GATES
LOW SPEED
INTEGRATING
CAPACITOR
Questi componenti digitali lavorano ad iniezione di corrente cioè entrambi assorbono corrente
poichè sono fabbricati per funzionare con tecnologia bipolare IIL (funzione SINK). Il fenomeno
può essere giustificato dall’ assenza di resistenze fra gli integrati ed i displays .
4
La conversione analogico-digitale è effettuata basandosi sul principio di integrazione a doppia
rampa .
Vc
Doppia rampa
t
t1
t2
t2A
t2B
Questo concetto si basa sulla carica e scarica di un condensatore a corrente costante . Nel nostro
specifico caso il condensatore è rappresentato da C3. In pratica il circuito interno è composto da un
convertitore V-I che fornisce corrente a tale condensatore. In questo modo esso si carica con legge
Vc = Vin -(I/C) t Siccome il tempo (t) di carica è mantenuto costante la Vc aumenta al’aumentare
della sola Vin . Il condensatore caricandosi crea una rampa , quella di salita.
Nel tempo t1 il condensatore avrà assunto un valore di tensione che è direttamente proporzionale
alla corrente fornita dal fotodiodo . Dopo questo tempo t1 il deviatore interno si porta sulla
posizione 2 andando così a scaricare il condensatore mantenendo la corrente di scarica costante .
La scarica completa è determinata da un comparatore con tensione di riferimento pari a zero .
Scaricandosi il condensatore descrive la seconda rampa , quella di discesa .
Siccome la corrente di scarica è mantenuta costante , il tempo impiegato per la scarica è tanto
maggiore quanto maggiore sia il valore Vc assunto dal condensatore .Andando a misurare il tempo
di scarica possiamo risalire alla Vin .
t2 =
Kt ⋅ VIN
I
Dalla formula si nota che il tempo di scarica t2 dipende solamente da Vin . Il valore della Vin
veniva poi mandato ai displays tramite la decodifica CA3161 .
Due trimmer uno collegato ai morsetti 8 e 9 e l’altro al morsetto 13 del CA3162 ci permette di
regolare lo zero ed il guadagno . Il nostro integrato ha la possibilità di due differenti velocità di
lettura . Infatti ponendo il piedino 6 a + 5 V abbiamo la possibilità di 96 letture al secondo mentre
lasciandolo a 0 V abbiamo 4 letture al secondo . In questo modo possiamo leggere tensioni anche
non perfettamente continue . Ponendo il pin 6 a + 0,8 V attiviamo la funzione hold , cioè di
memorizzazione dell’ ultimo dato acquisito .
Un altra utile funzione è la visualizzazione di “EEE” quando si esce dal campo superiore di lettura
pari a 999mV , mentre se si scende al di sotto del range inferiore , pari a -99mV, si visualizza la
scritta “---“ . Questo vuol dire che è possibile fare la misurazione di piccole tensioni negative .
5
BLOCCO 4
Displays
Display
Il quarto blocco concerne la visualizzazione del valore di
tensione misurato dal voltmetro. Tramite tre displays ad anodo
comune avviene la visualizzazione . Con il deviatore commutiamo
la posizione del punto decimale . I displays vengono comandati
dal CA3162 che attraverso il controllo di tre BJT staccano
l’alimentazione ai displays.
7 segmenti
MAN.72
In questo modo il dato fornito ,dalla decodifica , viene visualizzato da un solo display per volta .
Poichè la frequenza di questo procedimento è molto alta l’occhio umano non si accorge
dell’accensione e del repentino spegnimento del display. In seguito al montaggio dei componenti
,sulla basetta, abbiamo potuto provare il circuito verificandone l’efficenza.
In seguito viene riportato il circuito totale.
U3
E IC1
VI
S1
9V
S1
C4
1uF
7805 U
G VO
N
D
M
E
B
R1
470
C6
1uF
TR3
C
C7
10uF
E
B
TR2
C
C5
47uF
E
B
TR1
C
A1
K
1
13
10
8
7
2
11
6
D1
FD1
A
11
2156
534
QQQQ
0123
L NM
SSS
DDD
CA.3162
LH
I I
G
CA
AD
PJ
11
01
11
23
CZ Z
C1 2
689
R3
1M
C1
100nF
7
1
2
6
IC2
IC3
3
R5
10K
R4
50K
3
14
A2
D0
D1
D2
D3
CA.3161
A
B
C
D
E
F
G
13
12
11
10
9
15
14
1
13
10
8
7
2
11
6
3
14
A3
1
13
10
8
7
2
11
6
3
14
C3
270nF
100 lux
100 lux
SW2
SW1
1000 lux
1000 lux
10 Klux
R6
150K
R7
15K
R8
1,5K
10 Klux
C2
100nF
R2
220
6
Regolazioni e tarature
All’ accensione dell’ apparecchiatura ,e col fotodiodo scollegato , dovrebbero apparire tre zeri sui
display . In realtà ciò non accade praticamente mai , perciò con un cacciavite andiamo ad agire sul
trimmer R6 fino a leggere la corretta indicazione . Una volta raggiunta questa siamo nella
medesima condizione in cui all’ ingresso del converter ci sono zero volt corrispondenti a zero lux.
Colleghiamo poi un generatore di tensione regolato per erogare un volt all’anodo del BPW34 .
Variando il trimmer R7 , con la scala 100 lux , dovremmo leggere l’indicazione “999”.
Questa correzione dell’ over range e quindi del fondo scala del converter spiega come si possa
ottenere in ingresso una tensione superiore al volt senza che questa appaia come errore “EEE” sui
display. A questo punto togliamo l’ alimentazione campione e saldiamo il trasduttore
fotoelettrico.Ora il luxmetro è pronto a funzionare .
Spostando nelle diverse direzioni il luxmetro , questo cambiava di volta in volta il valore in Lux .
Abbiamo potuto apprezzare la buona precisione delle misurazioni , inoltre, grazie alla possibilità di
cambiare la scala di lettura ,il campo di utilizzazione risulta essere molto ampio.
In seguito mediante l'uso dell'oscilloscopio digitale HP 54600B interfacciato ad un PC mediante il
software HP Bench Link, siamo andati a fare alcune misurazioni sul circuito con un tester digitale
rilevando valori di tensione, corrente e forme d’onda in uscita ad alcuni piedini. I risultati delle
misurazioni sono di seguito riportati.
Nel seguente grafico è visulizzato l'andamento del segnale sul condensatore C3 (prelevato sul pin
12 del CA3162 ).
a
7
In questo grafico è riportato l'andamento del segnale in uscita dal pin 4 del CA3162.
Questo va a comandare il transistor TR1 che lavora pilotato in corrente; si noti infatti che la
variazione di corrente è piccolissima.
b
Misura del periodo sul pin 4 del CA3162. Si noti la frequenza con cui viene visualizzato il dato dai
displays (112 Hz)
c
8
Misura del duty cicle sul pin 4 del CA3162.
d
Misura di tensione e larghezza dell'impulso sul pin 1 del CA3162 (Q0).
e
9
Misura di tensione e periodo sul pin 16 (Q3).
f
Riferimenti bibliografici
RCA Data Book
Rivista Nuova Elettronica
10
