P AREA DI PROGETTO CLASSE V SEZ. A CORSO SERALE SPEC. ELETTRONICA PROGETTO SIRIO RILEVAMENTO E CONTROLLO DI TEMPERATURA E UMIDITA RELATIVA
Questo progetto e stato ideato per fare in modo che la classe possa presentare un progetto multidisciplinare contenente argomenti teorici e pratici riguardanti il maggior numero possibile di materie di esame; la sua realizzazione pratica inoltre fornisce una valida presentazione della classe alla commissione esaminatrice. Questo documento contiene tutto cio che e necessario per la realizzazione del progetto (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 potra modificare il progetto implememtandolo 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, cablaggio) ELETTRONICA Op.Amp. in diverse applicazioni (ampl. inv. e non, ampl. differenziale, buffer, trigger, generatore di segnale), transistor e relay, 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 rilevati col sistema di rilevamento sia via cavo che via radio.
Indice INDICE I 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 72 Data sheet MNCD4093 98 Data sheet CD4066 104 Data sheet 1N4148 112 Data sheet 2N2222A 119 Data sheet 2N2907 125 Data sheet LM 336 132 Data sheet 7812 141 Data sheet 7912 147 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 V CA ± 10% /50 H Z 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 CS DEUMIDIFICATORE R E F R I G E R A T O R E U M I D I F I C A T O R E ST T E L CENTR. CENTR. CENTRALINA DI CONTROLLO E REGOLAZIONE ST CS SENSORE DI TEMPERATURA SENSORE DI UMIDITÀ T E L 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/50H Z e fornisce in uscita una tensione duale di +12 V e 12 V e una max corrente di 500 ma. 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 C Trasduttore di temperatura e pretrattamento Condizionamento del segnale Controllo e regolazione Circuito attuatore Riscaldamento 12V 220V Alimentatore GND -12V Pannello di monitoraggio e controllo Deumidificatore RH Trasduttore di umidità RH e pretrattamento Condizionamento del segnale Controllo e regolazione Attuatore Umidificatore Fig.2 SCHEMA A BLOCCHI 7
R Cs Astabile Filtro PBasso Filtro PAlto Rivelatore di picco DPM + CONTROLLO 0 REG F.S. SET + INA TRASDUTTORE RH + PRETRATTAMENTO - Umidificatore Deumidificatore Circuito attuatore Controllo e regolazione V R 0 (ZERO SET) 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 EQUIVALENTE DEL AD590 CIRCUITO 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. R Ix Vs' Per Ix=0 si ha: Vs I =R*I=R*KT Vs l 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: I V S' 3 + 8 1 +Vcc 2-4 Vs R2 -Vee R1 R3 GND Av = Guadagno dell amplificatore operazionale non invertente (TL082) Si fissa R 1 = 1 KΩ (questa resistenza ha funzione di convertitore corrente/ tensione) Av = 10 A V = 1 + R R 2 3 Av - 1 = 10 1 = R R R R 2 3 2 3 R 2 = 9 R 3 Fisso R 3 = 1 KΩ R 2 = 9 R 3 = 9 * 1*10 3 = 9 KΩ 11
CALCOLO DEL RANGE DI Vs: I per T = 0 C (cioè 273,2 K) vale 273,2 µa V I S = R 1 * I = 10 3 *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 µa V =R I 1 * I = 10 3 *373,2*10-6 = 373,2*10 3 V = S 373,2 mv Poiché V S dovrà essere 10 V I S (dovuto al pretrattamento) si ottiene: I 0 C V S = 273,2 mv V S = 2,732 V I 100 C V S = 373,2 mv V S = 3,732 V quindi con T = 100 C 0 C si ha V S = 1 V 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 V Vs offset R4 R6 R7 8 3 2 +Vcc + - 1 4 -V EE V OT Voffset = 2,732 V (la tensione fornita dall assieme di rilevazione della temperatura a 0 C) 12
Il guadagno differenziale è : V o 10 Ad = = = 10 V 1 i 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 R 4, R 6.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 V offset R G (-) 3 2 6 + - - 8 1 4 -V R R -V ee ee 8 7 R R 3 2 + - R -V ee 8 1 4 +Vcc V OT Vs (+) 5 + 4 -Vee R INA V OT = tensione associata alla temperatura rilevata dal trasduttore (V O termica) Ad = amplificazione differenziale V OT = 0 10 V (0 100 C) 13
Ad = 1 + 2R R G R G = 2R A d 1 Per avere un buon CMRR bisogna che le resistenze R siano di valore uguale e con una bassa tolleranza. Si pone R = 10 KΩ R G = 2R A d 1 = 3 3 2 *10 *10 2 *10 *10 = 10-1 9 = 2,22 KΩ Per avere un guadagno regolabile intorno al valore Ad = 10, Si scompone R G in una parte fissa (R 4 = 1,5 KΩ) ed una parte variabile (P 1 = 1 KΩ ) in modo da centrare agevolmente il valore teorico 2,22 KΩ 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 3,5V Voffset 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 P 2 = 1 KΩ una V OFFSET = 2 3,5 V. Poiché la d.d.p su P 2 è 1,5 V [(3,5-2 )V] si ha nel partitore I = V R6 = 2 V V 1,5 3 = = 1,5*10 3 P2 1*10 = 1,5mA V R5 = V cc 3,5 =12 3,5 = 8,5 V R 6 = V R6 = I 2 1,5*10 3 = 1,33 KΩ (1,2 KΩ ) R 5 = V R5 = I 8,5 1,5*10 3 = 5,67 KΩ (5,6 KΩ ) 15
2.4 CIRCUITO DI CONTROLLO E REGOLAZIONE V TL1 e V TH1 sono riferite al refrigeratore (trigger 1) V TL2 e V TH2 sono riferite al riscaldatore (trigger 2) V OT = tensione fornita dal INA proporzionale alla temperatura fornita dal trasduttore Per T > 26 C (V OT > V TH1 ) si deve attivare il refrigeratore Per T < 24 C (V OT < V TL1 ) si deve spegnere il refrigeratore Per T > 24 C (V OT > V TH2 ) si deve spegnere il riscaldatore Per T < 22 C (V OT < V TL2 ) si deve accendere il riscaldatore 2.4.1 PROGETTAZIONE DELTRIGGER 1 E TRIGGER 2 V H1 = V TH1 - V TL1 = 2,6 2,4 = 0,2 V (cioè 2 C d isteresi ) V = 21 V Sapendo che β = V H 1 V 1 0, 2 = 21 = R 7 R 7 R + Per soddisfare la 1: 7 R + 7 R 8 R 8 V = V H1 1 si ha : 1 Si dimensiona la resistenza R 7 = 0,2 KΩ (220 Ω ) 16
Si dimensiona la resistenza R 8 = 20,8 KΩ (22 KΩ ) +V V OT 2 3 + - 8 1 4 -V CC ee V 1 R7 R8 V R1 TRIGGER 1 Essendo il trigger di tipo invertente si avrà: per V OT > V TH1 si ha V 1 =V L1 Refrigeratore attivato per V OT < V TL1 si ha V 1 =V H1 Refrigeratore spento Essendo l isteresi V H2 per il trigger 2 uguale V H1, il secondo trigger è identico al primo (ovviamente con V R2 V R1 ). V OT 6 5 - + 8 4 -V +V CC 7 ee V 2 R9 R10 V R2 TRIGGER 2 Per V OT > V TH2 si ha V 2 = V L2 Riscaldatore spento Per V OT < V TL2 si ha V 2 = V H2 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 P 3, i diodi D 1 e D 2 forniscono uno shift positivo e negativo per ottenere V R1 e V R2 (per esempio, fissando con P 3 la temperatura di 24 C (cioè di 2,4 V) ed assumendo per i diodi (opportunamente polarizzati con R 12 e R 13 una d.d.p di 0,7 V, avrò V R1 = +2,5 V e V R2 = +2,3). +Vcc I R11 2,5V P3 6 5 +V cc 8 7 - + 4 U3 B -Vee I P R12 I P R14 D1 R15 R16 D2 R17 2 3 5 +V cc 8 1 - + -Vee +V cc 6 8 7 + - 4 4 U5 U5 -Vee A B VR1 VR2 R13 -Vee Si fissa P 3 = 10 KΩ e si vuole ai suoi capi una d.d.p V P3 =2,5 V (si deve poter scegliere una temperatura da 0 C a +25 C). VP3 2,5 I = = = 0, 25 3 P 10*10 3 ma R 11 = V CC I vp3 12 2,5 = = 38 kω (39 k Ω ) 3 0,25*10 I P = 10 ma (Per una buona polarizzazione dei diodi) Con I P = 10 ma è V F 0,7 V 18
R 12 =R 13 = V V I P 12 0,7 = 3 10*10 = 1, CC F 13 KΩ (1,2 k Ω ) fisso I p I = 1 ma dovendo essere V R15 = V R16 = 0,1 V si ha : V R14 = V R17 = 0,6 V R 15 = R 16 = 0,1 1*10 3 = 0,1 KΩ (100Ω) R 14 = R 17 = 0,5 1*10 3 = 0,6 KΩ (560Ω) 2.5 CIRCUITO ATTUATORE PER L ACCENSIONE DEL REFRIGERATORE V OT 2 - +VCC 8 V 1 1 D3 R18 R22 +Vcc 3 + 4 U4 A TR1 R7 -V ee R8 D5 R20 LED1 K1 LP1 Refrigeratore V R1 TRIGGER 1 ATTUATORE 1 V 1 = uscita del trigger 1 V H1 = uscita alta del trigger1 Il diodo zener D 3 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 =V H1 ( 10,5 V) il transistor deve essere interdetto (cioè V BE non deve essere polarizzata direttamente).se non ci fosse il diodo zener, V H1 sarebbe ancora in grado di polarizzare direttamente la giunzione BE. Inserendo in serie alla base un diodo zener con V Z >1,5V (V CC -V H1 =1,5 V), per esempio V Z = 4,7 V, quando V 1 = V H1 il diodo zener non conduce perchè la tensione di polarizzazione è minore di V Z e quindi R 18 risulta volante, I B = 0 e il transistor risulta interdetto. La resistenza R 22 serve per chiudere la giunzione BE quando il transistor è interdetto e si calcola in modo che la sua corrente sia trascurabile 19
V quando il transistor è saturo ( I = BESAT ) oppure se ne tiene conto. Essendo il transistor R 22 complementare a quello che è utilizzato nel circuito dell attuatore per l accensione del riscaldatore (cioè 2N2907A), si ha β * = 40 e I BSAT = 0,5 ma. Ponendo R 22 = 10 K Ω I R22 = V 0,7 BESAT = R =0,07 ma 3 22 10 * 10 I R18 = I BSAT + I R22 = ( 0,5 + 0.07)*10-3 = 0,57 ma 0,6 ma Quando V 1 = V L1-10,5 la d.d.p sulla serie D3, R 18, R 22 è: V = V CC V L1= 12-(-10,5) = 22,5 V V R18 = V V BESAT V Z = 22,5 0,7 4,7 = 17,1 V R 18 = V18 17,1 = = 28,5 KΩ (27 KΩ) 3 I 0,6*10 R18 Per la scelta di R 18 bisogna scegliere un valore standard in difetto per avere una sicura saturazione. 2.6. CIRCUITO ATTUATORE PER L ACCENSIONE DEL RISCALDATORE V OT 6 5 + - +V CC 8 7 U4 B 4 -V ee V 2 R21 D4 R19 R23 TR2 +Vcc K2 LP2 Riscaldatore R9 R10 D6 LED2 ATTUATORE 2 V R2 TRIGGER 2 V 2 = uscita trigger 2 V H2 = uscita trigger 2 I I = β 20*10 40 3 CSAT BSAT = = 0, 5 * ma V F = caduta di tensione ai capi del diodo I CSAT = 20 ma 20
V R19 = V H2 - V F - V BESAT = 10,5-0,6 0,7 = 9,2 V V R 19 = R19 9,2 = = 18, 4 KΩ (18 KΩ) 3 I 0,5*10 BSAT R 23 = 10 KΩ e la sua corrente quando c è la V BESAT, 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 N.A. LP1 REFRIGERATORE Con apparecchiatura spenta si ha il bulbo al neon LP1 acceso (ON) e il relativo comando proveniente dal trigger 1 ( V 1 ) è a livello alto (V H1 ). Con apparecchiatura accesa si ha il bulbo al neon LP1 spento (OFF) e il relativo comando proveniente dal trigger 1 ( V 1 ) è a livello basso (V L1 ). 21
2.8 SEGNALAZIONE DI CORRETTO FUNZIONAMENTO DEL RELÈ PER L ACCENSIONE DEL RISCALDATORE N.A. LP2 RISCALDATORE Con apparecchiatura spenta si ha il bulbo al neon LP2 acceso (ON) e il relativo comando proveniente dal trigger 2 (V 2 ) è a livello basso (V L2 ). Con apparecchiatura accesa si ha il bulbo al neon LP2 spento (OFF) e il relativo comando proveniente dal trigger 2 ( V 2 ) è a livello alto (V H2 ). 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 V 1 (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 R 20 si assume : I F = 5mA, V F 2V VH1 +10,5V V R 20 = 1 VF 10,5 2 8,5 3 = = = 1,7*10 = 1, KΩ (1,8 KΩ) 3 3 I 5*10 5*10 H 7 F 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 V 1 è associato al refrigeratore spento si ha : V 1 = V H1, LED1 acceso, relè diseccitato e LP1 acceso Quando invece il refrigeratore si deve accendere si ha: V 1 = V L1, LED 1 spento, relè eccitato e LP1 spento +V CC V OT 2 3 + - 8 1 4 U4 -V ee A R20 V 1 TO ATTUATORE 1 R7 R8 D5 LED1 V R1 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 V 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 D6( polarizzato in modo opposto al LED). Per il calcolo di R 21 si assume : I F = 5mA, V F 2V V H2 +10,5V V R 21 = 2 VF 10,5 2 8,5 3 = = = 1,7*10 = 1, KΩ (1,8 KΩ) 3 3 I 5*10 5*10 H 7 F Sul pannello di monitoraggio e controlllo devono essere disposti affiancati il LED 2 ed LP2 (lampadina al neon): Quando il comando V 2 è associato al riscaldatore spento si ha : V 2 = V H2, LED2 acceso, relè diseccitato e LP2 acceso Quando invece il riscaldatore si deve accendere si ha: V 2 = V L2, LED 2 spento, relè eccitato e LP2 spento V OT 6 5 + - 8 4 +V U4 -V CC B 7 ee R21 V 2 TO ATTUATORE 2 R9 R10 D6 LED2 V R2 TRIGGER 2 24
25 SCHEMA CIRCUITALE DEL CONTROLLO E RILEVAMENTO DELLA TEMPERATURA 5 ee 8 R16 + - 1 B P1 R5 -Vee 4 + - R21 R2 5 +V U2 B + - +Vcc 7 R14 2 U4 1 D2 B 2 Refrigeratore 4 U4 R1 3 8 +Vcc R18 U1 4 R 3 3 -V R R7 +Vcc ee U3 To DPM 1 R23 U3 -Vee cc R19 R10 LED1 B 8 -V 1 3 ee R11 R12 CC 2,5V 8 -V CC + - + - 2 5 4 + - 7 -Vee + - 3,5V -V R6 A -V 2 R15 + - +Vcc LP2 +Vcc ee 4 Riscaldatore D6 R22 + - cc 8 ee +V 6 LP1 +Vcc R17 3 6 R13 8 R4 4 R P2 D4 R R9 8 4 7 R LED2 +Vcc R8 8 1 6 TR1 U2 A 2 cc +V D1 R3 +V A P3 TR2 7 5 K1 6 -Vee A +Vcc 8 -Vee 4 4 D5 R +V R20 2V U5 U5 D3 K2
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. C s = capacità del sensore C s = 185 pf con RH = 50% misurata in un circuito con f = 20 KH z Frequenza operativa: f = 10-100 KHz V MAX = 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 +Vcc +Vcc 8 3 + 2 - U4A 1 R25 8 5 + 6 - U4B 7 Va 4 4 Cs -Vcc R26 -Vcc 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 R 25 =10 KΩ R 26 =1 KΩ per avere una variazione di 2 V su Cs, che pre RH=50% vale 185 pf. DC = T H = 50% T Cs=185 pf R26 Vth = Vtl = Voh 1V V OH =-V OL =10,5 V R + R 25 T H =T L = 25 µ sec 26 T H VTL VOH R26 = τ1 ln = τ ln(1 + 2 ) = 0, 182τ V V R TH OH 25 6 6 TH 25 10 25 10 R 24Cs = = R24 = = 741KΩ 12 0,182 0,182 0,182 185 10 Al variare di RH la durata del fronte positivo T H dipendera dal valore di Cs nel seguente modo: 3 T = 741 10 0,182 H C S I valori di C S e T H saranno : 165 pf RH 10% T H =22 µs 175 pf RH 30% T H =23,6 µs 185 pf RH 50% T H =25 µs 195 pf RH 70% T H =26,3 µs 205 pf RH 90% T H =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 R 27 C 1 fa in modo che la tensione massima Vf dipenda dalla durata di T H in base alla seguente relazione: Vf = V OH 1 e 1+ e TH τ TH τ Scegliendo τ=160µs (circa sei volte superiore a T H per avere una carica pressoche lineare del condensatore) si pone C 1 =0,1 µf e R 27 =1,6 KΩ Applicando la formula precedente per i diversi valori di RH si ottiene: RH 10% T H =22 µs Vf=721 mv RH 30% T H =23,6 µs Vf=773 mv RH 50% T H =25 µs Vf=818 mv RH 70% T H =26,3 µs Vf=861 mv RH 90% T H =28 µs Vf=916 mv Si ottiene cosi un legame quasi lineare tra la Vf e RH. Con i valori di R 27 e C 1 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 RH 90% 50% 10% 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: R 28 =1,6 KΩ C2=1 µf In questo modo si filtrera solo la componente alternata bloccando la componente continua. 2.11.5 RIVELATORE DI PICCO 29
Vf D7 Vr C3 Come rivelatore di picco si utilizza un semplice diodo D7 collegato ad un condensatore elettrolitico C 3 di capacita 1 µf; la sua uscita Vr sara inferiore a Vf di circa 0,7 V assumendo i seguenti valori: RH 10% Vf=721 mv Vr=21 mv RH 30% Vf=773 mv Vr=73 mv RH 50% Vf=818 mv Vr=118 mv RH 70% Vf=861 mv Vr=161 mv RH 90% Vf=916 mv Vr=216 mv 2.11.6 DIAGRAMMI TEMPORALI CIRCUITERIA SENSORE DI UMIDITÀ Voh Va Vth VCs Vtl Vol Th Tl 30
Voh Va Vfmax Vf Vr Vfmin Vol Th 2.12 CIRCUITO DI CONDIZIONAMENTO (UMIDITÀ) La variazione di V R 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. 31
+Vcc V R V R ' G Offset (-) (+) 3 2 6 5 + - R - + ' 8 1 4 -V ee R ' +V CC 8 7 4 -V ee R R ' ' ' R 3 2 - + R ' +V CC 8 1 4 -Vee INA V RH v RH - + Ad v o (0 V) V offset V offset = tensione di riferimento R G = serve per regolare il fondo scala Ad = guadagno differenziale Si avra' : 32
Ad 2R' = 1+ R + P 38 5 Si sceglie percio' un rapporto : Ad 2R' = 1+ R + P 38 5 = 40 E di conseguenza: R'=10 KΩ R 38 +P 5 =500 Ω R 38 =200 Ω P 5 =10 KΩ In questo modo si avra' un valore di Ad che varia da 100 (P 5 =0) a 3 (P 5 =10000) e in uscita avremo i seguenti valori di V RH: RH=50% RH=30% RH=70% V RH =118mVx40=4,72 V V RH =73mVx40=2,92 V V RH =161mVx40=6,44 V R38 RG P5 Agendo su P 5 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. Si otterranno i valori previsti ponendo: R 36 =R 37 =11,5 KΩ P 4 = 1 KΩ +Vcc - V OFFSET R36 +0,5V P4 33
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. 2.13 BLOCCO DI CONTROLLO E REGOLAZIONE DELL UMIDITÀ 34
RH V V 50% 5V 4,2V VTH3 45% 40% 35% 4,5V 4,2V 4V 3,8 3,5V 4,1V 4V 3,9V VTH4=VTL3 V R3 V R4 -TRIGGER 3 -TRIGGER 4 30% 3V 3,8V VTL4 V TL3 e V TH3 sono riferite al deumidificatore (trigger 3) V TL4 e V TH4 sono riferite all umidificatore (trigger 4) V RH = tensione fornita dal IN.A proporzionale alla RH fornita dal circuito di pretrattamento Per RH > 42% (V ORH > V TH3 ) si deve attivare il deumidificatore Per RH < 40% (V ORH < V TL3 ) si deve spegnere il deumidificatore Per RH > 40% (V ORH > V TH4 ) si deve spegnere l umidificatore Per RH < 38% (V ORH < V TL4 ) si deve accendere l umidificatore 2.13.1 Progettazione Trigger 3 e Trigger 4 V H3 = V TH3 - V TL3 = 4,2 4 = 0,2 V (cioè 2 % d isteresi ) V 3 = 21 V Sapendo che β = R 47 R + 47 R 48 V = V H 3 3 si ha : V H 3 V 3 0, 2 = 21 = R 47 R + 47 R 48 1 Per soddisfare la 1: Si dimensiona la resistenza R 47 = 0,2 KΩ (220 Ω ) Si dimensiona la resistenza R 48 = 20,8 KΩ (22 kω ) 35
V CC V ORH 2 3 + - 8 4 1 V 3 V ee R47 R48 V R3 TRIGGER 3 Essendo il trigger di tipo invertente si avrà: per V ORH > V TH3 si ha V 3 =V L3 Deumidificatore attivato per V ORH < V TL3 si ha V 3 =V H3 Deumidificatore spento Essendo l isteresi V H4 per il trigger 4 uguale V H3, il secondo trigger è identico al primo (ovviamente con V R4 V R3 ). R 49 = 220Ω V CC R 53 = 22 KΩ TRIGGER 4 V ORH 6 5 + - 8 4 7 V 4 V ee per V ORH > V TH4 si ha V 4 =V L4 Umidificatore attivato per V RH < V TL4 si ha V 4 =V H4 Umidificatore spento V R4 R49 R53 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 P 3, i diodi D 15 e D 16 forniscono uno shift positivo e negativo per ottenere V R3 e V R4 (per esempio, fissando con P 6 l umidità relativa del 40% (cioè di 4 V) ed assumendo per i diodi opportunamente polarizzati con R 39 e R 45 una d.d.p di 0,7 V, avrò V R3 = +4,1 V e V R4 = +3,9 V. +Vcc I R40 5V P6 3V R46 6 5 I +Vcc + - 8 7 4 -Vee U10A P R39 I ' P R41 D15 R42 R43 D16 R44 2 3 6 5 +V cc + - 8 4 -Vee +V cc + - -Vee 1 U11A 8 7 4 U11B VR3 VR4 R45 -Vee V R40 = 7 V V R46 = 3 V V P6 = 2 V Si fissa P 6 = 10 kω e si vuole ai suoi capi un d.d.p V P6 = 2 V (si deve poter scegliere un valore di umidità relativa da 30% 50% I = V P 6 2 = = 3 0, 2 P 10*10 6 ma v40 7 R = = = 35 KΩ (33 KΩ) 40 3 I 0,2*10 R 46 = V RB 3 = = KΩ 3 15 I 0,2*10 37
I P = 10 ma (Per una buona polarizzazione dei diodi) Con I P = 10 ma è V F 0,7 V R 39 =R 45 = V V I P 12 0,7 = 3 10*10 = 1, CC F 13 KΩ (1,2 k Ω ) fisso I p I = 1 ma dovendo essere V R42 = V R43 = 0,1 V si ha : V R41 = V R44 = 0,6 V 0,1 R 42 = R 43 = 1*10 3 = 0,1 KΩ (100Ω) R 41 = R 44 = 0,6 1*10 3 = 0,6 KΩ (560Ω) 38
2.14 CIRCUITO ATTUATORE PER L ACCENSIONE DEL DEUMIDIFICATORE +Vcc +Vcc V RH 2-8 1 3 U12A 4 + V 3 D17 R51 R52 TR5 -Vee R50 K3 Deumidificatore R47 R48 D18 LED3 LP3 V R3 TRIGGER 3 ATTUATORE 3 V 3 = uscita del trigger 3 V H3 = uscita alta del trigger 3 Il diodo zener D 17 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 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 3 =V H3 ( 10,5 V) il transistor deve essere interdetto (cioè V BE non deve essere polarizzata direttamente).se non ci fosse il diodo zener V H3 sarebbe ancora in grado di polarizzare direttamente la giunzione BE. Inserendo in serie allla base un diodo zener con V Z >1,5V (V CC -V H3 =1,5 V), per esempio V Z = 4,7 V, quando V 3 = V H3 il diodo zener non conduce perchè la tensione di polarizzazione è minore di V Z e quindi R 51 risulta volante, I B = 0 e il transistor risulta interdetto. La resistenza R 52 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 tiene conto. Essendo il transistor complementare a quello che è utilizzato nel circuito dell attuatore per l accensione del riscaldatore (cioè 2N2907A), si ha β * = 40 e I BSAT = 0,5 ma. R 52 Ponendo R 52 = 10 K Ω I R52 = V 0,7 BESAT = R =0,7 ma 3 52 10* 10 I R51 = I BSAT + I R52 = ( 0,5 + 0.07)*10-3 = 0,57 ma 0,6 ma 39
Quando V 3 = V L3-10,5 la d.d.p sulla serie D17, R 51, R 52 è: V = V CC V L1= 12-(-10,5) = 22,5 V V R51 = V V BESAT V Z = 22,5 0,7 4,7 = 17,1 V R 51 = V51 17,1 = = 28,5 KΩ (27 KΩ) 3 I 0,6*10 R51 Per la scelta di R 51 bisogna scegliere un valore standard in difetto per avere una sicura saturazione.. 40
2.15 CIRCUITO ATTUATORE PER L ACCENSIONE DELL UMIDIFICATORE: V RH 6 5 + - +Vcc 8 7 U12B 4 -Vee V4 D20 R56 R54 R55 TR4 K4 LP4 Umidificatore R49 R53 D19 LED4 ATTUATORE 4 V R4 TRIGGER 3 V 4 = uscita trigger 4 V H4 = uscita trigger 4 V F = caduta di tensione ai capi del diodo I CSAT = 20 ma Si fissa R 56 = 10 KΩ I I = β 20*10 40 3 CSAT BSAT = = 0, 5 * ma V R54 = V H4 - V F - V BESAT = 10,5-0,6 0,7 = 9,2 V R 54 = V I 54 9,2 = = 18, KΩ (18 KΩ) 3 0,5*10 R 4 BSAT 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 R 55 e quindi TR4 si interdice. 41
2.16 SEGNALAZIONE DI CORRETTO FUNZIONAMENTO DEL RELÈ PER L ACCENSIONE DEL DEUMIDIFICATORE: N.A LP3 DEUMIDIFICATORE Con apparecchiatura spenta si ha il bulbo al neon LP3 acceso (ON) e il relativo comando proveniente dal trigger 3 ( V 3 ) è a livello alto (V H3 ). Con apparecchiatura accesa si ha il bulbo al neon LP3 spento (OFF) e il relativo comando proveniente dal trigger 3 ( V 3 ) è a livello basso (V L3 ). 42
2.17 SEGNALAZIONE DI CORRETTO FUNZIONAMENTO DEL RELÈ PER L ACCENSIONE DELL UMIDIFICATORE: N.A LP4 UMIDIFICATORE Con apparecchiatura spenta si ha il bulbo al neon LP4 acceso (ON) e il relativo comando proveniente dal trigger 4 (V 4 ) è a livello basso (V H4 ). Con apparecchiatura accesa si ha il bulbo al neon LP4 spento (OFF) e il relativo comando proveniente dal trigger 4 ( V 4 ) è a livello basso (V L4 ). 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 V 3 (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 R 50 si assume : I F = 5mA, V F 2V VH3 +10,5V V R 50 = 3 VF 10,5 2 8,5 3 = = = 1,7*10 = 1, KΩ (1,8 KΩ) 3 3 I 5*10 5*10 H 7 F 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 V 1 è associato al refrigeratore spento si ha : V 3 = V H3 LED3 acceso, relè diseccitato e LP3 acceso Quando invece il refrigeratore si deve accendere si ha: V 3 = V L3 LED 3 spento, relè eccitato e LP3 spento +Vcc V RH 2 3 + - 8 1 4 U12A -Vee R50 V 3 TO ATTUATORE 3 R47 R48 D18 LED3 V R3 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 V 4 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 R 55 si assume : I F = 5mA, V F 2V V H2 +10,5V R 55 = V 2 VF 10,5 2 8,5 3 = = = 1,7*10 = 1, KΩ (1,8 KΩ) 3 3 I 5*10 5*10 H 7 F Sul pannello di monitoraggio e controlllo devono essere disposti affiancati il LED 4 ed LP4 (lampadina al neon): Quando il comando V 2 è associato al riscaldatore spento si ha : V 4 = V H4 LED4 acceso, relè diseccitato e LP4 acceso Quando invece il riscaldatore si deve accendere si ha: V 4 = V L4 LED 4 spento, relè eccitato e LP4 spento V RH 6-8 +Vcc 7 5 + U12B 4 -Vee R56 TO ATTUATORE 4 R49 R53 D19 LED4 V R3 45
SCHEMA CIRCUITALE DEL CONTROLLO E RILEVAMENTO DELL UMIDITÀ FOGLIO 1/2 R24 +Vcc +Vcc 3 2 8 + - R25 U4A 1 5 6 8 + - U4B 7 Va R27 Vf C2 D7 Vr 4 4 R28 Cs -Vcc R26 -Vcc C1 C3 45
46 SCHEMA CIRCUITALE DEL CONTROLLO E RILEVAMENTO DELL UMIDITÀ FOGLIO 2/2 -Vee 7 + - 5 cc D15 3,5V +Vcc P6 1 +V U9A D20 TR5 3 5 R39 LED3 7 To DPM -Vee V RH 1 Umidificatore 8 -Vee -Vee R' R47 P5 4 R36 +Vcc R46 R41 R51 + - + - 2 +Vcc U9B 4 8 TR4 3 5V D19 R56 R37 +Vcc 2 U10A U12A + - R' ee +Vcc R48 D16 B U11B -Vee -Vee 4 7 R42 R55 + - 8 4 5 8 2 K3 P4 LED4 7 3 Deumidificatore R54 +Vcc 5 +V LP4 3V + - -Vee 6 -V R49 D18 +Vcc U11A + - R40 R' 6 +Vcc R43 R' 2 R52 6 6 +Vcc 4 8 R50 1 cc -Vee + - LP3 K4 R38 4 8 8 +Vcc R53 4 U10B U12B R' 4,5V 3 R45 1 R44 D17 R' 4 8 -Vcc V R +0,5V -0,5V
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 R 1 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. V DD = 12 V V OH V DD V OL 0 V V TH 0,6 V DD V TL 0,4 V DD T T H L ( 0,4* 12) ( 0,6* 12) V 0.4 12 4,8 TL V VDD V OH DD = τ ln = τ ln = τ ln = τ ln = V V 0.6 V V 12 7,2 V = τ ln V TH TH TL V V OH OL OL T = H T = L τ 0, 4 1 = DD DD ( 0,6 * 12) ( 0,4 * 12) 0.6 V 0 0 DD 7,2 τ ln = τ ln = τ ln = 0,4 V 0 0 4,8 DD τ 0,41 τ 0,41 Per avere un tempo di visualizzazione di 4 sec sia della temperatura che dell umidità relativa dobbiamo avere il periodo T T H + T = 8 sec = L T H = 4 sec TH τ = = 0,41 4 0,41 = 10 sec T H = 4 sec τ = R57 * C 54 47
Si fissa R 57 = 1 MΩ τ 9, 76 C 54 = = = 10 µ F 6 6 10 10 Calcolo delle resistenze R 60 e R 62 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: V F 1,7 V I F 5 ma Pertanto si ha: R 60 VDD VF 10, 3 = = 2, 2 KΩ 3 I 5 * 10 F R 60 = R 62 Le resistenze R 58, R 59, R 61, si dimensionano tutte uguali a 10 kω LED 5 segnala lettura C LED 6 segnala lettura RH CLOCK U13A U13B=U13D U13C LED 5 LED 6 L CHIUSO OFF CHIUSO ON ( C) OFF (LETTURA C) H OFF ON (LETTURA RH) OFF OFF ON (RH) 48
49 SCHEMA CIRCUITALE PER CONTROLLO DEL DPM +Vcc 5 V +Vcc 2 U6D +Vcc 11 R58 10 V + R60 TR6 9 9 LED6 +Vcc U13A 10 -Vee R59 3 -Vee U13C OT 4 1 R57 U13D +Vcc 12 +Vcc R61 U13B LED5 R62 8 +Vcc 13 +Vcc +Vcc 6 DPM RH 8 C4 -Vee -Vee
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 P 2 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 P 4 (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 P 4 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. V R63 =24-1,7 =22,3 V 22,3 R = = 44, 6 KΩ (47 KΩ ) 63 3 0,5*10 U14 220V AC SW1 F1 T1 12V 12V - B1 + 1 3 + C5 C7 2 C9 + C6 C8 1 C10 + + R63 LED7 C11 C12 +12V 0V 2 U15 3-12V F 1 = FUSIBILE 100 ma SW1 = Da pannello D7= LED VERDE C 5 = 2200 µf C 6 = 2200 µf C 7 = 0,1µF C 8 = 0,1 µf C 9 = 100 µf C 10 = 100 µf C 11 = 0,1 µf C 12 = 0,1 µf B1 = B50C1000 T1 = Primario 220 V ca U 14 = 78L12 U 15 = 79 L12 Secondario 12+12 V CA / 0,5 A 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 (DEUMIDIFICATORE). N 1 DPM (DIGITAL PANEL METER). N 1 LED GIALLO(LED 5) PER SEGNALARE CHE LA GRANDEZZA NONITORATA È LA TEMPERATURA N 1 LED GIALLO (LED 6) PER PER SEGNALARE CHE LA GRANDEZZA NONITORATA È 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 del 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 DIODI SIGLA TRANSISTOR SIGLA R 10 KΩ P1 1 KΩ D1 1N4148 TR1 2N2907A R 10 KΩ P2 1 KΩ D2 1N4148 TR2 2N2222 R1 1 KΩ P3 10 KΩ D3 Zener 4,7 TR4 2N2222 R2 9 KΩ P4 10 KΩ D4 1N4148 TR5 2N2907A R3 1 KΩ P5 1 KΩ D5 1N4148 TR6 2N2222 R4 1,5 KΩ P6 10 KΩ D6 1N4148 R5 5,6 KΩ D7 1N4148 R6 1,2 KΩ D15 1N4148 R7 220 Ω D16 1N4148 R8 22 KΩ D17 Zener 4.7 R9 220 Ω D18 1N4148 R10 22 KΩ D19 1N4148 R11 39 KΩ D20 1N4148 R12 1,2 KΩ LED1 Rosso R13 1,2 KΩ LED2 Rosso R14 470 Ω LED3 Rosso R15 220 Ω LED4 Rosso R16 220 Ω LED5 Giallo R17 470 Ω LED6 Giallo R18 27 KΩ R19 18 KΩ R20 1,8 KΩ R21 1,8 KΩ R22 10 KΩ 55
LISTA PARTI RESISTENZE VALORE CONDENSATORI VALORE LAMPADE VALORE C.I. SIGLA AL NEON R23 10 KΩ C1 0,1 µf LP1 220 V U2 TL082 R24 741 KΩ C2 1 µf LP2 220 V U3 TL082 R25 10 KΩ C3 1 µf LP3 220 V U4 TL082 R26 1 KΩ C4 10 µf LP4 220 V U5 TL082 R27 1,6 KΩ C5 2200 µf U6 CD4093 R28 1,6 KΩ C6 2200 µf U7 LM336 R36 11,5 KΩ C7 0,1 µf U8 TL082 R37 11,5 KΩ C8 0,1 µf U9 TL082 R38 200 Ω C9 100 µf U10 TL082 R39 1,2 KΩ C10 100 µf U11 TL082 R40 33 KΩ C11 0,1 µf U12 TL082 R41 0,6 KΩ C12 0,1 µf U13 4066 R42 0,1 KΩ U14 78L12 R43 0,1 KΩ U15 79L12 R44 0,6 KΩ R45 1,2 KΩ R46 15 KΩ R47 220 Ω R48 22 KΩ R49 220 Ω R50 1,8 KΩ R51 27 KΩ R52 10 KΩ 56
LISTA PARTI RESISTENZE VALORE R53 22 KΩ R54 18 KΩ R55 1,8 KΩ R56 10 KΩ R57 1MΩ R58 10 KΩ R59 10 KΩ R60 2,2 KΩ R61 10 KΩ R62 2,2 KΩ R63 47 KΩ SENSORE DI SIGLA SENSORE DI SIGLA PONTE DI SIGLA TEMPERATURA UMIDITÀ DIODI U1 AD590 CS HC201 B1 B50C1000 57
LISTA PARTI FUSIBILE VALORE TRASFORMATORE VALORE SWITCH MODELLO F1 100 ma T1 Primario 220 V CA Secondario 12+12 V CA / 0,5 A SW1 Da pannello a leva 58
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