ESAMI DI QUALIFICA PROFESSIONALE 2000/2001
OPERATORE - ELETTRONICO

TEMA:
Si vuole monitorare la temperatura di un locale con un led bicolore (verde-rosso) in modo che a temperatura ambiente (20/25 ° C) dovrà essere acceso a luce fissa il led verde, mentre se la temperatura sale di 10 ° C rispetto a quella d'ambiente di taratura, dovrà accendersi il led rosso in modo lampeggiante alla frequenza di 0,5Hz.

Si utilizza come sensore un diodo al silicio al quale si attribuisce la proprietà di diminuire la tensione ai suoi capi di 2,6mV al ° C.

Dato lo schema risolutivo del problema il candidato esegua le seguenti fasi di lavorazioni:

1. calcolare le soglie di tensione teoriche superiore e inferiori affinché il pin 7 dell'operazionale LM358 possa assumere o stato "1" a livello di Vcc o stato "0" a livello di massa [ punti 16 ];
2. determinare il valore di R6 affinché la variazione di tensione del diodo (sensore) per una variazione di 10° C in aumento rispetto a quella dell'ambiente di taratura diventi pari a D V necessaria affinché avvenga la segnalazione prevista con il diodo led [punti 12 ];
3. determinare il valore di R11 affinché il led possa lampeggiare alla frequenza prevista di 0,5Hz [ punti 5 ];
4. completare il grafico assegnato con l'andamento e i livelli di tensione dei punti fondamentali del circuito indicati [ punti 15 ];
5. realizzare il montaggio su circuito stampato dell'intero circuito con particolare cura al taglio dei terminali e relativa saldatura [ punti 16 ];
6. eseguire la taratura del trimmer affinché il circuito risponda alle specifiche richieste [ punti 5 ];
7. rilevare, mediante gli idonei strumenti da laboratorio,  le misure di tensione [punti 5 ];
8. svolgere una relazione che illustri il funzionamento del circuito [ punti 11 ];
9. disegnare lo schema di un alimentatore adeguato per alimentare l’amplificatore di cui sopra, indicando il valore pratico dei componenti da usare [ punti 15 ].

SCHEMA:

PUNTO UNO

Per poter calcolare le due soglie, superiore e inferiore, affinché l'uscita sul pin 7 dell'operazionale LM358 possa andare o a livello 0V o livello +Vcc, bisogna fare la seguente considerazione:

• il partitore formato da R7 e R8 essendo di uguale valore (10Kohm) e ipotizzando scollegata la R9 porterebbero il pin 5 ad una tensione pari a ½ Vcc (circa 6V);
• ne consegue che per mandare l'uscita pin 7 a livello 0V dovrà essere il pin 6 ad un livello di tensione superiore del pin 5, viceversa per mandare il pin 7 a livello di Vcc dovrà essere il pin 6 ad un livello di tensione inferiore del pin 5;
• se però consideriamo attaccata la R9 il pin 5 viene sottoposto non piú ad ½ Vcc ma assumerà due livelli ben precisi in base a come si trova il pin 7, cioè quando il pin 7 e a 0V la R9 è in parallelo alla R8 e quando il pin 7 è a Vcc la R9 è in parallelo alla R7.

Se risolviamo mediante la legge di Ohm questi due casi troveremo il valore delle due tensioni a cui sarà sottoposto il pin 5. Il livello piú alto lo chiamiamo VH e quello piú basso VL.

Supponendo il pin 7 a 0V avremo sul pin 5 la tensione minima VL di circa 5,87V ne consegue che per mantenere questa condizione il pin 6 dovrà essere ad un livello superiore di VL, viceversa quando il pin 7 sarà alto a +Vcc sul pin 5 avremo la tensione massima VH di circa 6,13V e il pin 6 dovrà essere ad un livello inferiore di VH.

Il pin 6 deve pertanto raggiungere e superare VH per mandare il pin 7 a 0V mentre deve raggiungere e scendere sotto VL per far commutare l'uscita sul pin 7 a livello alto di Vcc.

Pertanto la differenza tra VH e VL danno il D V necessario affinché il trigger di Schmitt possa assumere i due stati, alto e basso, in uscita.

D V = VH - VL = 6,13 - 5,87 = 0,26 V

PUNTO DUE

Il diodo usato come sensore di temperatura fa aumentare la tensione ai suoi capi di 2,6 mV al ° C pertanto con una variazione di 10 ° C avremo una variazione di tensione di 26mV.

Questa variazione di tensione entra attraverso R5 nell'amplificatore operazionale U1A configurato come amplificatore invertente e che amplificherà il rapporto tra R6 e R5 cioè:

A = R6 / R5

Ma l'amplificazione A è anche data da Vout /Vin dove Vout è il D V = 260 mV, Vin è di 26mV pertanto ne consegue che A= 260 / 26 = 10

Conoscendo A e R5 posso trovare

R6 = A · R5 = 10 · 10K = 100 KOhm

PUNTO TRE

Osservando la configurazione delle porte NAND 2C, 2D, 2B posso affermare che si tratta di un oscillatore ad onda quadra. Il periodo di questa onda quadra vale T= 2 (K · R · C) dove K è una costante che dipende dal tipo di porta e vale poco di più di 1 e se la trascuro diventa

T = 2 R C . Il problema mi impone che la frequenza dell'onda debba valere 0,5Hz cioè

T = 1 / F = 1 / 0,5 = 2 sec.

Conoscendo C = 1m F posso determinare R11

R11 = T / 2C = 2 / 2 · 1 10 -6 = 1 Mohm

PUNTO CINQUE

PUNTO QUATTRO

PUNTO SEI

Per la taratura si regola il trimmer R3 affinché alla temperatura ambiente risulti acceso il led verde.

Con questa taratura si regola praticamente un OFFSET d'uscita sul pin 1 vicino alla soglia inferiore

Pari a circa VL che è appunto la condizione per avere il pin 6 ad un valore di tensione inferiore del pin 5 e di conseguenza l'uscita pin 7 a livello alto che invertito dal NAND U2A darà sul pin 3 del CD4011 un livello 0V tale da mantenere bloccato l'oscillatore e cioè "1" sul pin 10 di U2B che dovrà fornire tensione all'anodo del diodo led verde che si chiude a massa (livello 0V del pin 3 di U2A) attraverso R10 rimanendo così acceso fisso.

PUNTO SETTE

Le tensioni misurate, con multimetro digitale, sono state riportate sullo schema

Le soglie VH e VL misurate risultano leggermente più basse di quanto previsto nel calcolo ma questo risulta giustificato dal fatto che il pin 7 dell'operazionale non satura né verso Vcc né verso massa e l'effetto di R9 risulta meno influente di quanto supposto nei calcoli. Affinché si possa verificare un D V di 260mV si dovrebbe forse sostituire la R9 con un valore di 180K.

PUNTO OTTO

Considerato che alla temperatura normale d'ambiente 20/25 ° C deve essere indicato tale stato con il led VERDE a luce fissa, dovremo avere bloccato l'oscillatore ad onda quadra pertanto il pin 5 di U2C dovrà avere un livello 0V tale che da solo basta (essendo una porta di tipo NAND) a tenere il pin 4 U2C e i pin 12-13 U2D a livello alto che si ripercuote con un livello basso sul pin 11di U2D come pure sui pin 9-8 di U2B e di conseguenza sarà il pin 10 di U2B alto per tutto il tempo che permarrà tale condizione di temperatura 20/25 ° C. In questa situazione l'anodo del diodo verde è positiva rispetto al suo catodo che si chiude attraverso R10 sul livello 0V proveniente dal pin 3 di U2A e pertanto il led si illumina e permane tale sino a che i livelli cambieranno per l'aumento di temperatura di 10 ° C in più di quella di taratura considerata d'ambiente.

Continuando a ritroso la considerazione dei livelli avremo, se il pin 3 di U2A è a 0V, i pin 1-2 di U2A a livello alto di Vcc, allo stesso livello sarà il pin 7 dei U1B.

Di conseguenza significa che sul pin 5 avrò VH (misurati 6,12V) e il pin 6 sotto questa soglia a circa 5,88 V pari appunto a VL.

Per avere la tensione di 5,88V sul pin 1 di U1A necessaria per avere la condizione di led verde acceso e considerato che il diodo D1 offre una caduta di tensione di 0,57V si può risalire a quando dovrà essere la tensione sul pin 2 di U1A e considerato che U1A è un amplificatore differenziale possiamo affermare che la tensione differenza fra i pin 2 e 3 di U1A dovrá essere nulla per mantenere ferma l'uscita a 5,88 V e di conseguenza, se è nulla, anche la tensione sul pin 3 di U1A dovrá essere uguale a quella sul pin 2.

Calcoliamo Vpin2 considerando il circuito equivalente qui sotto raffigurato:

Dalle misure verificate e indicate nello schema del punto sette, constatiamo che il pin 3 di U1A è sottoposto guarda caso a 1,05 V come qui sopra affermato.

All'aumentare della temperatura sul diodo sensore D1 la sua caduta di tensione cala come già affermato di 2,6 mA per ogni grado. Questa variazione si ripercuote su U1A sul pin 2 invertente e verrà amplificata di 10 volte ( pari a R6 : R5) e sull'uscita pin 1 avremo una tensione che aumenta proprio perché l'amplificatore è invertente (inverte la fase del segnale d'ingresso).

Dopo un incremento della temperatura di 10 ° C questa tensione sul pin 1 (e pin 6 U1B) avrà raggiunto e superato i 6,12V del pin 5 [vedi grafico punto quattro] facendo commutare l'uscita sul pin 7 di U1B da livello alto (+10,8V) a livello 0V.

Questo livello 0V giunge sui pin 1-2 di U2A e lo ritroviamo invertito sul pin 3 sempre di U2A.

L'oscillatore ad onda quadra inizia ad oscillare perché il pin 5 va pure a livello alto.

In queste condizioni il diodo led verde avrà sempre il suo catodo a livello alto pertanto non può accendersi mentre il led rosso ha l'anodo a livello alto e il catodo segue l'onda quadra proveniente dal pin 10 di U2B e di conseguenza si accende e spegne con frequenza di 0,5Hz.
Il condensatore C1 non é indispensabile ai fini del funzionamento ma viene messo esclusivamente per rendere l'amplificatore insensibile (retroazione totale) a disturbi transitori indesiderati. R2 e R4 formano un partitore attenuatore di un rapporto di 10 pertanto rendono piú facile la taratura, infatti ogni variazione del trimmer arriva al pin 3 di U1A attenuata di 10 volte pertanto la rotazione mediante cacciavite diventa meno critica.

PUNTO NOVE

Esperienze