Elettronica 1

Prova scritta di Elettronica I - Corso straordinario

Il sistema il cui schema a blocchi č mostrato in figura è destinato alla regolazione e al monitoraggio di un serbatoio per liquidi alto 5 metri.

Un sensore di livello, costituito da un fotodiodo al silicio, genera una corrente compresa tra circa 10 m A e circa 100 m A in corrispondenza lineare con il livello dei liquido (10 m A - serbatoio vuoto, 100 m A -serbatoio completamente pieno).

Il sistema elettronico deve provvedere a mantenere il livello fra 3 e 4 metri, azionando una valvola di riempimento se il livello scende sotto i 3 m e chiudendo la valvola quando il livello supera 4 m. Si tratta quindi di un semplice controllo non lineare ad anello chiuso, di tipo on/off.

Il candidato deve sviluppare nell'ordine i seguenti circuiti.

1) Il circuito di signal conditioning, alla cui uscita deve essere presente un segnale ad alto livello e con banda compresa tra 0 e circa 1 Hz (una banda maggiore sarebbe inutile in questa applicazione, poiché il livello può solo cambiare molto lentamente, e peggiorerebbe la sensibilità a rumori ottici o elettromagnetici eventualmente indotti sul fotodiodo).

2) Il circuito di controllo on/off, con soglie di intervento regolabili entro circa ą 10% dei valori nominali (la regolazione, effettuabile per mezzo di due potenziometri, ha lo scopo di impostare le soglie di intervento esattamente a 3 e 4 metri, indipendentemente dagli errori e dalle tolleranze dei fotodiodo, del controllore e dei componenti impiegati).

3) Il circuito di temporizzazione e il buffer di interfaccia per il pilotaggio di un motore in c.c. a 24 V, 1 A. Tale motore, per poter aprire completamente la valvola di riempimento dei serbatoio, deve essere alimentato per 10 secondi con tensione positiva. Per chiudere completamente la valvola deve essere alimentato per lo stesso tempo con polarità negativa.

4) Una alimentazione stabilizzata (con regolatore serie lineare) per i circuiti di controllo, e una alimentazione non stabilizzata per il buffer di uscita.

5) OPZIONALE: sviluppare un generatore sonoro di allarme in grado di pilotare un altoparlante (8 ohm, 1 W) con un segnale ad onda pseudo sinusoidale a circa 500 Hz nel caso in cui il livello del liquido superi 4.5 m.

6) OPZIONALE. La valvola impiegata per il controllo č in grado di regolare la portata dei liquido in funzione lineare della sua apertura. Azionandola ad esempio per 5 secondi, la portata sarà 1/2 della massima. Indicare quali potrebbero essere le modifiche progettuali da apportare al sistema nel caso in cui dal serbatoio venga continuamente prelevato un flusso di liquido variabile tra il 40% e il 60% della portata massima della valvola e si voglia effettuare un controllo lineare (in alternativa al controllo on/off), in grado di mantenere pressoché costante il livello ad un valore predefinito.

Soluzione By Vittorio Crapella - i2viu

PUNTO 1- CIRCUITO DI CONDIZIONAMENTO

Mettendo in serie al fotodiodo una resistenza da 10K ottengo un convertitore corrente-tensione che mi darā:

Vmin = R * I = 10 * 10^{3 *} 10 * 10^-6 = 100 mV

Vmax= 10 * 10^{3 *} 100 * 10^-6 = 1V

La soglia dei 3 m corrisponderā ad una Vout pari a

V3m = 500mV + 300 cm * 9 mV/cm = 3200 mV (3,2V)

V4m = 500mV + 400 cm * 9 mV/cm = 4100 mV (4,1V)

Con la capacitā C in parallelo ad R2, l'amplificatore si comporta come integratore per le frequenze superiori a Fc = 1 / (2 p * R2 * C).

Considerato che si vuole una banda passante di 1Hz pertanto la frequenza di taglio superiore F2 = 1Hz e che corrisponde a quella frequenza per cui Vout diventa il 70% (o - 3dB) di Vout max, la capacitā si puō calcolare:

C=10 / (2p * F2 * R2) = 10 / 2p * 1* 100 * 10³ = 15,9 uF

(valore commerciale 15 uF elettrolitico VL 12V)

PUNTO 2 - CIRCUITO DI CONTROLLO

Ogni soglia verrā controllata da un circuito comparatore a finestra formato da due operazionali.

Pertanto R4 = V/I = 3690 mV / 164 * 10^-6 = 22,5 KW (commerciale 22K 1%)

R3 = V / I = (9 - 4,51)V / 160,8 * 10^-6 = 27,37 KW (commerciale 27K 1%)

La corrente nel trimmer T2 sarā I = D V / R = 640 mV/ 5 * 10³ W = 128 uA

Pertanto R6 = V/I = 2880 mV / 128 * 10^-6 = 22,5 KW (commerciale 22K 1%)

R5 = V / I = (9 - 3,52)V / 128 * 10^-6 = 42,8 KW (commerciale 43K 1%)

Per U2 la tensione proveniente da U1 entra sul pin invertente pertanto fino a quando il suo valore sarā di livello pių basso del livello impostato con T1 l'uscita di U2 sarā alta (poco meno di 9V in quanto non sono operazionali rail to rail) sufficiente a garantire un livello "1" sugli ingressi del NAND-A.

Per U3 la tensione proveniente da U1 entra sul pin non invertente pertanto fino a quando il suo valore sarā di livello pių alto di quello impostato con T2 l'uscita di U3 sarā alta (poco meno di 9V in quanto non sono operazionali rail to rail) sufficiente a garantire un livello "1" sugli ingressi del NAND-B.

In queste condizioni sia C1 che C2 sono garantiti scarichi dal livello basso provenienti dalle uscite NAND-A e B; i NAND C e D avranno le loro uscite alte cosė i transistori TR1 e TR2 sono mantenuti interdetti attraverso le Rb1 e Rb2 e di conseguenza i relč RL1 e RL2 sono diseccitati e il motore della valvola sarā in "OFF".

PUNTO 3 - CIRCUITO TEMPORIZZATORE E BUFFER

Immaginiamo la partenza con serbatoio completamente vuoto.

Ai comparatori arriva una tensione proveniente da U1 bassa sotto la soglia dei 3m

(< di 3,2V) pertanto uscita di U2 alta e di U3 bassa.

Il condensatore C2 inizialmente scarico sottoposto al livello alto del NAND-B manda alto pure gli ingressi del NAND-D garantendo la sua uscita bassa tale che riportata sull'ingresso del NAND-B garantisca questo stato anche se U3 superata la soglia di T2 riporta la sua uscita alta.

Il NAND-B, andando basso con la sua uscita, polarizza attraverso Rb2 il transistore TR2 PNP eccitando RL2 che alimenterā il motore della valvola con le giuste polaritā per aprire.

Si crea pertanto un circuito monostabile che dopo un tempo pari a circa

t = R_T4 C2 il livello sui pin d'ingresso del NAND-D tornerā basso e la sua uscita torna alta non garantendo cosė all'ingresso NAND-B un livello basso portando il monostabile nel suo stato stabile con uscita bassa sul NAND-B che attraverso D2 scaricherā C2 cosė da essere pronto per un prossimo ciclo.

BUFFER A RELE'

Il TR2 si interdice, RL2 si diseccita e il motore si ferma con valvola aperta.

Il motore pertanto gira solo per il tempo di circa 10 secondi regolato con T4.

Il livello del liquido sale e arriva a 4 m così U2 va bassa fa scattare il monostabile formato da NAND-A e C con C1 e T3.

Questa volta č TR1 a saturare eccitando RL1 che alimenta il motore con polarità rovesciate rispetto a prima facendo chiudete in un tempo regolabile da T3 la valvola. Gli zener DZ1-2 servono a garantire un livello alto ai TR1-2 quando le Rb1-2 sono sottoposte a +9V dalle uscite dei NAND C-D.

Considerato che il tempo per aprire o chiudere č di 10 secondi ed essendo circa

T = R_T4 * C2 fissando C a 22 uF sarà R_T4 = 10 / 22 * 10^-6 = 454 KOhm

Considerato che un trimmer è buona norma sia regolato a circa metà della sua corsa scelgo come valore 470 KW e metto una resistenza in serie di 220 KOhm .

Utilizzando TR1 e TR2 il classico BC327 ed ipotizzando un b = 100 con relè a 24V e 25 mA di eccitazione ne consegue che Ib = Ic /b = 25/100= 0,25mA

pertanto le resistenze di base saranno

Rb1 = Rb2 * (9 - 0.7)V / Ib = 8,3 / 0,25 * 10³ = 33 KOhm

Per garantire una Ib più che sufficiente si userà R da 22 KOhm

In parallelo alle bobine dei relè prevedo anche dei diodi 1N4148 per smorzare le extra tensioni dovute all'interruzione della corrente durante la diseccitazione.

Una soluzione migliore senza relè è quella di utilizzare un sistema a ponte con soli transistori.

BUFFER A TRANSISTORI

In questo caso le Rb1 e Rb2 č opportuno siano pių basse circa 10K in quanto TR1 e TR2 hanno una Ic pių alta attorno ai 100 mA.

Q2=Q4 = PNP tipo BDxxx con Ic max 2 o 3 A con un buon b

Q2=Q4 = NPN tipo BDxxx con Ic max 2 o 3 A con un buon b

D= diodi High speed con tempo di ripristino t_rr < 200 nS e Id = 2A

Quando satura TR1 satura Q1 e Q4 e il motore gira per chiudere

Quando satura TR2 satura Q3 e Q2 e il motore gira per aprire

PUNTO 4 - CIRCUITO DI ALIMENTAZIONE

Considerato che 24Vcc č il valore di picco dell'alternata che si dovrā utilizzare avremo che Vac del trasformatore č data da Vp / 1,41 = 24 / 1,41 = 17 V

Il secondario del trasformatore avrā come valore commerciale 18 V.

Ma 18V * 1,41 = 25,38V sembrerebbe leggermente superiore ai 24 V richiesti; se perō si tiene conto della caduta dei due diodi del ponte si arriva a 24 V necessari.

Per la capacitā di livellamento affinché il residuo di alternata (ripple) rimanga accettabile entro un 5% cioč circa 1,2 Vpp e sapendo che questo

D V = Iu/C * T/2

dove Iu = corrente d'uscita

C capacitā di livellamento

T il tempo fra un picco e l'altro (10mS con F di rete a 50 Hz)

Ma T = 1 / F pertanto

D V = Iu / 2C * F da cui C = Iu / 2 * 100 * 1,2 = 4160 uF

Usandone due capacitā in parallelo scelgo 2200 uF elettrolitici migliorando cosi anche la resistenza equivalente serie complessiva dei condensatori.

La tensione lavoro deve essere superiore a 24V pertanto un 35VL basta.

Partendo dalla 24Vcc livellata stabilizzo con regolatore serie tipo LM7809 per avere la tensione dei 9V richiesta per il circuito di condizionamento e di controllo.

PUNTO 5 - CIRCUITO PER ALLARME SONORO

Con un altro comparatore a finestra tarato per i 4,5 m si puō abilitare o meno un oscillatore ad onda quadra con operazionale per pilotare attraverso un filtro passa basso con un OP a guadagno unitario come adattatore di impedenza per riprodurre una pseudo sinusoide a 500 Hz attraverso l'altoparlante di 8 Ohm.

Imponendo una frequenza di taglio Fc = 500Hz e fissando capacitā da 33 nF

Si determina R = 1/(2 p * R * C) = 9,65 KW (valore commerciale 10 KW )

La soglia dei 4,5 m corrisponde a 4,55V se si approssima a 4,5 V siamo esattamente ad ― Vcc di 9V, ne consegue che la soglia sul pin non invertente si fissa tramite due resistenze uguali ad esempio 10 KW

Per tutto il tempo che la tensione proveniente dal circuito di condizionamento

rimane sotto i 4,5 V l'uscita dell'OP sarā bassa cosė da tenere attraverso il diodo la Cx sempre scarica e pertanto oscillatore bloccato con l'uscita alta cosė anche il BC161 (PNP) ricevendo un livello alto rimarrā interdetto.

Il diodo sulla base favorisce questa interdizione.

PUNTO 6 - CIRCUITO PER UN CONTROLLO LINEARE

Per ottenere una regolazione pressoché lineare si utilizzano ancora due comparatori restringendo la finestra tenendo un dislivello di ą 1cm .

Tenerlo pių basso significherebbe rendere il sistema poco stabile con il rischio di un continuo apri e chiudi della valvola.

Se il livello proveniente dal circuito di condizionamento eguaglia quello impostato con il trimmer da 2k2 avremo D V sugli ingressi nulla e le tensioni sulle uscite nulle (ponte in equilibrio) o comunque sotto la soglia degli zener da 12V.

In queste condizioni nessun transistore può saturare e il motore sarà fermo.

Appena D V sugli ingressi diventa significativo perché il livello del liquido nel serbatoio non č quello previsto il ponte si squilibra e l'uscita di un Op va alta e l'altra bassa.

Supponiamo che lo squilibrio sia dovuto ad un superamento dei 4 m così avremo sul pin 2 dell'OP-A una tensione pių positiva di quello del pin 6 pertanto la sua uscita bassa e sarà ininfluente sui transistori, viceversa il pin 6 dell'OP-B vede una tensione pių positiva di quella del pin 2 mandando la sua uscita alta.

Questa volta va in conduzione Q3 assieme a Q2 e il motore girerà per chiudere e girerà tanto quanto basta affinché il D V d'ingresso si annulli equilibrando nuovamente il ponte fermando il motore.

Va in conduzione anche Q5 ma serve solo ad evitare che per guasto o mal funzionamento possa andare in conduzione anche Q1 causando un corto circuito.

Supponiamo che lo squilibrio sia dovuto ad un abbassamento sotto i 4 m così avremo sul pin 2 dell'OP-B una tensione più positiva di quello del pin 6 pertanto la sua uscita bassa, ininfluente sui transistori, viceversa il pin 6 dell'OP-A vede una tensione più positiva di quella del pin 2 mandando la sua uscita alta.

Questa volta va in conduzione Q1 assieme a Q4 e il motore girerà nell'altro senso per aprire e girerà tanto quanto basta affinché il D V d'ingresso si annulli equilibrando nuovamente il ponte fermando il motore.

Va in conduzione anche Q6 ma serve solo ad evitare che per guasto o mal funzionamento possa andare in conduzione anche Q3.

Il sistema dovrebbe essere già sufficientemente stabile considerato una risposta della valvola piuttosto lenta (10s) altrimenti bisogna intervenire a limitare il guadagno degli operazionali.