5. Esercitazioni di laboratorio 5.1 Controllo di temperatura con LM335 Viene proposto il progetto di un attuatore, il quale avvii un dispositivo di potenza quando la temperatura misurata scende al di sotto di un valore prefissato. 5.1.1 Obiettivo dell esercitazione L esercitazione richiede all alunno l analisi dei dati del trasduttore LM335, di progettare quindi un sistema che consenta il controllo della temperatura in una camera termostatica, attivando un elemento riscaldatore quando la temperatura scende al di sotto di una soglia prefissata, compresa tra 30 C e 50 C, temperatura regolabile dall utente finale. Infine, viene richiesto di progettare un circuito (utilizzando sempre il medesimo trasduttore) che fornisca una tensione compresa tra i 2 V e i 5 V per un intervallo di temperatura sempre compresa tra 30 C sino a 50 C. Figura 5.1: Il termometro di Galileo. 5.1.2 Esempio di lavoro La procedura, proposta, è la seguente. Naturalmente ogni alunno è libero di arricchirla e fare eventuali ipotesi aggiuntive. 1. Scegliere la tensione di alimentazione del trasduttore a disposizione. 2. Valutare la necessità di trasformare la grandezza elettrica fornita dal trasduttore. 3. Definire il circuito di condizionamento se al punto precedente è stata rilevata la necessità di trasformare il segnale proveniente dal trasduttore. 4. Definire il circuito di comando dell elemento riscaldatore a disposizione (es. lampada 12 V/25 W).
56 Capitolo 5. Esercitazioni di laboratorio 5. Valutare la corrente che circola nell elemento riscaldatore e la relativa potenza dissipata. 6. Definire la configurazione dell amplificatore operazionale in configurazione comparatore. 7. Definire il valore della resistenza che limita la corrente di base del transistor, ma che permetta la saturazione dello stesso e non carichi eccessivamente l amplificatore operazionale. 8. Quando l uscita del comparatore è a livello basso la giunzione Base/Emettitore del transistor di comando deve essere protetta: identificare un componente che risponda a tale esigenza. 9. Dimensionare il partitore con potenziometro da collegare all ingresso non invertente del comparatore in modo che sia possibile fissare la soglia di commutazione tra i 20 C ed i 50 C. 10. Effettuare il collaudo del circuito utilizzando un contenitore e un termometro a mercurio. 11. Dimensionare un circuito utilizzando un amplificatore differenziale. 12. Tarare e collaudare il sistema. Al termine della progettazione, della simulazione e della prova pratica curare la stesura di una relazione in formato digitale. La consegna della relazione dovrà avvenire tramite il portale di Istituto. 5.1.3 Oggetto dell esercitazione Realizzare il circuito di Figura 5.2 considerando che la temperatura del laboratorio è pari a 25 C e che la temperatura di riferimento T rif = 40 C è la temperatura sopra la quale l elemento riscaldatore non entra in funzione. Figura 5.2: Schema circuitale di principio. Simulare l elemento riscaldatore con un diodo led verde con in serie un opportuna resistenza e testare il circuito riscaldando il trasduttore accostando la punta di un saldatore al trasduttore. Il circuito utilizza un comparatore di tensione per monitorare costantemente la temperatura proveniente dal trasduttore e la confronta con una tensione di riferimento (relativa a 40 C). Quando la temperatura rilevata dal trasduttore è minore di 40 C (uscita dell amplificatore operazionale a livello alto), il transistor entra in conduzione accendendo il led posto sul collettore. Nel caso in cui
5.1 Controllo di temperatura con LM335 57 la temperatura rilevata è più alta di 40 C, l uscita dell amplificatore si porta a livello basso e il transistor entra in interdizione spegnendo il led. 5.1.4 Considerazioni iniziali Studiando il datasheet del trasduttore LM335 ci si accorge come l utilizzo dello stesso semplifica notevolmente il circuito, poiché al variare della temperatura il trasduttore stesso fornisce in uscita una variazione di tensione. Come si vede dalla Figura 5.2, i sotto circuiti da risolvere sono due e le resistenze da determinare risultano essere R 1, R 2 (un partitore di tensione) e R 3 (nel circuito con LM335). 5.1.5 Dimensionamento del partitore Al fine di dimensionare in modo corretto il partitore, bisogna calcolare in modo appropriato il valore di tensione V T H. Essa rappresenta la tensione al di sopra della quale il circuito non dovrà più attivare l elemento riscaldatore (o meglio: il diodo dovrà essere spento). Dato che la temperatura di riferimento è 40 C, si ha V T H = 3.13 V, poiché il sensore di temperatura LM335 restituisce in uscita 10 mv/ K 313 K. I valori di R 1 e R 2 vengono calcolati con la regola del partitore di tensione. Si ha 3.13V 12V = R 2, (5.1) R 1 + R 2 da cui si evince R 1 = 2.834. (5.2) R 2 Figura 5.3: Partitore di tensione. Come è evidente, in questo modo solo una delle due resistenze assumerà un valore standard, il che è non è permesso. È possibile utilizzare un trimmer per risolvere il problema. Si sostituisce a R 1 una resistenza (ad esempio da 1.2 kω) e in serie un trimmer, e si utilizza in luogo di R 2 un resistore da 4.7 kω. Attraverso semplici calcoli si può dimensionare il trimmer. 2.834(1.2kΩ+X)=4.7kΩ X = 0.459. (5.3) Pertanto, la soluzione più semplice, è utilizzare un trimmer da 1 kω, tarato al 45.9 %. 5.1.6 Dimensionamento del circuito con LM355 La Figura 5.4 illustra una configurazione standard in cui può essere montato il trasduttore di temperatura LM335 e specifica il segnale d uscita, pari a 10 mv/ K. Il trasduttore è stato collegato al circuito utilizzando questa configurazione, e rappresenta uno dei sotto circuiti da risolvere per dimensionare il circuito. Fissato V + = 12 V (in linea con le altre alimentazioni del circuito) e il trimmer R 1 = 10 kω, sapendo che a 25 C l uscita dovrà essere di 2.98 V, resta da calcolare il resistore R 1. Il calcolo può avvenire utilizzando la (5.4), dove il trimmer viene indicato con R 2 : Figura 5.4: Sensore di temperatura. { IZ = I 1 I 2 I Z = V R 1 R 1 V R 2. (5.4) R 2
58 Capitolo 5. Esercitazioni di laboratorio Essendo I Z = 1 ma (valore tipico), ponendo R 1 = 1.2 kω si ottiene R 2 = 6.52 kω, ovvero il trimmer va tarato al 65.2 % (essendo da 10 kω). 5.1.7 Dimensionamento del diodo led Come accennato, in assenza di un elemento riscaldatore, è stato utilizzato un diodo led come segnalatore del funzionamento del circuito. In particolare, se il led è spento, il circuito si trova nello stato di riposo (la temperatura di riferimento è stata raggiunta o superata), se il led è accesso il circuito si trova nella condizione di lavoro e l elemento riscaldatore viene attivato al fine di raggiungere la temperatura di riferimento. Il led è alimentato all anodo con una tensione di + 12 V ed è ovviamente accompagnato da un resistore il cui valore viene scelto in base alla corrente che deve scorrere nel diodo. Dal momento che essa è di circa 20mA si ottiene: 5.1.8 Circuito finale R D = 12V = 560Ω. (5.5) 20mA In definitiva, il circuito da realizzare è mostrato in Figura 5.5. Figura 5.5: Schema circuitale dimensionato. 5.1.9 Componenti speciali Gli unici componenti nuovi, al momento dell esecuzione della prova, sono il trasduttore LM335 e il BJT BD439. È quindi d obbligo consultare i relativi datasheet 1 indicanti la piedinatura di entrambi i componenti, nonché il loro modo d uso. Per quanto riguarda l LM335, il catodo è stato collegato a massa e al pedino sinistro del trimmer, l anodo al resistore R 2 e al pedino destro del reostato, mentre l adjuster al pedino centrale del trimmer. 1 Inutile ricordare che tutti i datasheet sono redatti in lingua inglese. Figura 5.6: Sensore di temperatura.
5.1 Controllo di temperatura con LM335 59 Dopo l identificazione dei pedini del transistor, si è collegata la base alla resistenza da 1 kω e al catodo dell 1N4148, l emettitore a massa e all anodo del diodo. Infine il collettore alla resistenza RD. 5.1.10 Schema di montaggio In Figura 5.8 viene illustrato il circuito senza l alimentazione. Questo schema di montaggio mostra solo il collegamento dei vari componenti circuitali. La tensione fornita dall LM335 viene confrontata con una tensione di riferimento scelta tramite il trimmer nel partitore di tensione. Queste due tensioni vengono, successivamente confrontate tramite il comparatore e inviate al circuito di potenza, il quale accende e spegne un led. Figura 5.7: Pedinatura del Avendo utilizzato un circuito di potenza, in uscita si ha la transistor. possibilità di gestire attuatori che non sarebbe possibile pilotare con un semplice amplificatore operazionale. Figura 5.8: Schema di montaggio su breadbord.