Controllo di temperatura con LM335

In questa risorsa si mostrerà come realizzare una esercitazione di laboratorio la quale abbia come obiettivo il progetto di un circuito che avvii un dispositivo di potenza quando la temperatura scende al di sotto di un valore prefissato.

Obiettivo

Analizzare i dati del trasduttore LM335, 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 $30~^{\circ }{\text{C}}$ e $50~^{\circ }{\text{C}}$.

Progettare infine un circuito (utilizzando sempre lo stesso trasduttore) che fornisca una tensione compresa tra $2~{\text{V}}$ e $5~{\text{V}}$ per un intervallo di temperatura da $30~^{\circ }{\text{C}}$ a $50~^{\circ }{\text{C}}$.

Esempio di lavoro

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 $12~{\text{V}}/50~{\text{W}}$).
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 $20~^{\circ }{\text{C}}$ ed i $50~^{\circ }{\text{C}}$.
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 finale in formato elettronica.

Oggetto della relazione

Realizzare il seguente circuito, considerando che la temperatura del laboratorio pari a $25~^{\circ }{\text{C}}$ e ipotizzando la temperatura di riferimento pari a $T_{RIF}=40~^{\circ }{\text{C}}$ come la temperatura al di sopra della quale l’elemento riscaldatore non deve entrare in funzione.

In laboratorio, l’elemento riscaldatore verrà simulato attraverso un diodo led – con in serie un’opportuna resistenza – e si testerà il circuito riscaldando il trasduttore accostando la punta di un saldatore al trasduttore stesso.

Il circuito utilizza un comparatore, realizzato tramite un amplificatore operazionale non retroazionato, per monitorare costantemente la temperatura proveniente dal trasduttore e per confrontarla con una tensione di riferimento (relativa ai $40~^{\circ }{\text{C}}$). Nel caso in cui la temperatura rilevata dal trasduttore fosse minore di $40~^{\circ }{\text{C}}$ (uscita dell’amplificatore operazionale a livello alto), il transistor entrerebbe in conduzione accendendo il led posto sul collettore. Nel caso – invece – la temperatura rilevata fosse più alta di $40~^{\circ }{\text{C}}$, l’uscita dell’amplificatore sarebbe a livello basso e il transistor entrerebbe in interdizione, spegnendo il led.

Svolgimento

Considerazioni iniziali

Studiando il datasheet del trasduttore LM335 ci si accorge come l'utilizzo di quest'ultimo semplifichi notevolmente il circuito, poiché – al variare della temperatura – fornisce una variazione di tensione proporzionale alla variazione di temperatura.

Come mostrato nel circuito di partenza, i sotto circuiti da risolvere inizialmente sono due:

• il partitore $R_{1}$, $R_{2}$ per determinare la temperatura di soglia;
• $R_{3}$, nel circuito con LM335.

Successivamente si faranno le opportune considerazione rispetto al diodo led.

Dimensionamento del partitore

Al fine di dimensionare in modo corretto il partitore, bisogna calcolare in modo appropriato il valore di tensione di soglia $V_{TH}$. 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 vale $40~^{\circ }{\text{C}}$, $V_{TH}$ risulterà essere pari a $3,13~{\text{V}}$ ($10~{\text{mV}}/^{\circ }{\text{K}}\times 313~^{\circ }{\text{K}}$). I valori di $R_{1}$ e $R_{2}$ vengono calcolati attraverso un semplice partitore di tensione:

${\frac {3,13}{12}}={\frac {R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}\qquad \Rightarrow \qquad {\frac {R_{1}}{R_{2}}}\simeq 2,83$

Come è evidente, in questo modo solo una delle due resistenze assumerà un valore standard, il che è non è permesso. Possiamo allora utilizzare un trimmer che può risolvere il problema.

Sostituiamo a $R_{1}$ una resistenza (da $1,2~{\text{k}}\Omega$) e un trimmer, e utilizziamo per $R_{2}$ un resistore da $4,7~{\text{k}}\Omega$. Attraverso semplici calcoli si può dimensionare il trimmer:

$\left(1,2~{\text{k}}\Omega +X\right):3,13~{\text{V}}=4,7~{\text{k}}\Omega :\left(12~{\text{V}}-3,13~{\text{V}}\right)\quad \Rightarrow \quad X\simeq 0,46~{\text{k}}\Omega$

Pertanto il trimmer da utilizzare sarà pari a $1~{\text{k}}\Omega$ e tarato al 46%.

Dimensionamento del circuito con LM355

Dimensionamento LM335

La figura a fianco illustra una configurazione standard in cui può essere montato il trasduttore e specifica il segnale d'uscita, pari a $10~{\text{mV}}/^{\circ }{\text{K}}$.

Il trasduttore è stato collegato al circuito utilizzando questa configurazione, e rappresenta uno dei sotto circuiti da risolvere per dimensionare il circuito. Fissato $V_{CC}=12~{\text{V}}$ (in linea con le altre alimentazioni del circuito) e il trimmer $R_{T}=10~{\text{k}}\Omega$, sapendo che a $25~^{\circ }{\text{C}}$ l'uscita dovrà essere di $2,98~{\text{V}}$, resta da calcolare il valore del resistore $R_{3}$.

Il calcolo può avvenire utilizzando le seguenti formule (dove il trimmer si indica, in questi brevi calcoli, con $R_{T}$):

${\begin{cases}I_{Z}=I_{3}-I_{T}\\I_{Z}={\frac {V_{R_{3}}}{R_{3}}}-{\frac {V_{R_{T}}}{R_{T}}}\end{cases}}$

Essendo $I_{Z}=1~{\text{mA}}$ (valore tipico), ponendo $R_{3}=1,2~{\text{k}}\Omega$ si ha $R_{T}=6,52~{\text{k}}\Omega$, ovvero il trimmer va tarato al 65% (essendo da $10~{\text{k}}\Omega$).

Dimensionamento del diodo LED

Come accennato, in assenza di un elemento riscaldatore, è stato applicato 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 acceso il circuito si trova nella condizione di attivare l'elemento riscaldatore al fine di raggiungere la temperatura di riferimento.

Il led è alimentato all'anodo con una tensione di $+12~{\text{V}}$ ed è ovviamente accompagnato da un resistore il cui valore viene semplicemente scelto in base alla corrente che deve scorrere nel diodo. Dal momento che essa è di circa $20~{\text{mA}}$:

$R_{D}=12~{\text{V}}/20~{\text{mA}}=600~\Omega \simeq 560~\Omega$

Da notare che non è fondamentale ottenere un valore rigorosamente esatto per la maggior parte dei componenti elettrici. La scelta, in questo caso, è tale da generare una corrente lievemente maggiore, quindi un led con una maggiore intensità luminosa, a scapito della sua vita media.

Circuito finale

Fase di montaggio del circuito

Gli unici componenti che possono essere ritenuti non noti allo studente, al momento dell'esecuzione della prova, sono il trasduttore LM335 e il BJT BD439. È risultato quindi d'obbligo consultare i datasheet indicanti la pedinatura di entrambi i componenti.

Pedinatura LM335

Per quanto riguarda l'LM335, il catodo è stato collegato a massa e al piedino sinistro del trimmer, l’anodo al resistore $R_{3}$ e al piedino destro del reostato, mentre l'adjuster al piedino centrale del trimmer.

Pedinatura del BJT BD439

Dopo l’identificazione dei pedini del transistor, si è collegata la base alla resistenza da $1~{\text{k}}\Omega$ e al catodo dell’1N4148, l’emettitore a massa e all’anodo del diodo. Infine il collettore alla resistenza $R_{D}$.

Schema di montaggio

La figura sovrastante illustra il circuito senza l'alimentazione e comprende solo il collegamento dei vari componenti. È stato utilizzato – per quel che riguarda i cavi – il colore rosso per $V_{CC}=12~{\text{V}}$, il colore nero per ${\text{GND}}=0~{\text{V}}$ e l'arancione per $V_{EE}=-12~{\text{V}}$. Per i valori intermedi di tensione si è scelto il blu, e il marrone. Rosso e nero sono una convenzione, per quanto riguarda tutti gli altri si può scegliere qualsiasi colore.