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Circuiti con comparatori.
Gli amplificatori operazionali configurati in catena aperta (ovvero privi di retroazione) si comportano da comparatori.
Il termine comparare significa confrontare ed è proprio questo lo scopo della tipologia di circuito.
Un comparatore confronterà due livelli di tensione e prenderà di conseguenza una decisione.
Se V+ > V- allora l'uscita si porta al massimo valore "alto" consentito.
Se V- > V+ allora l'uscita si porta al massimo valore "basso" consentito.
massimo alto e massimo basso?
Il massimo valore alto o basso è dipendente dalla tensione di alimentazione del dispositivo. E' noto che gli amplificatori operazionali con cui normalmente si costruiscono i comparatori vengono usualmente alimentati in duale ma non disdegnano l'alimentazione singola. in ogni caso la tensione di uscita alta non potrà raggiungere il valore della tensione di alimentazione perchè vi sono delle inevitabili cadute di tensione interne pari a 1,4 volt.
Nel grafico notiamo che le possibili tensioni ottenibili al morsetto di uscita stanno in una banda più stretta rispetto alla tensione di alimentazione. Se ad esempio alimentiamo l'operazionale con una tensione duale di +/- 10 Volt otterremo in uscita +8,6 volt (uscita alta) e -8,6 volt (uscita bassa).
Housing dei più comuni circuiti integrati utilizzati come comparatori.
Circuito integrato LM324 d.i.l. 14 (equivalente a TL074, TL084)
piedinatura interna dell'LM324,TL074, TL084
Circuito integrato uA741, TL081, LM358 d.i.l. 8.
lo stesso housing è utilizzato per circuiti integrati che contengono due amplificatori operazionali come il TL082. ovviamente risulterà diversa la piedinatura.
Circuito con 8 comparatori per indicare un livello di tensione.
Il circuito che presentiamo risulta essere un semplice ed esplicativo esempio di funzionalità dei comparatori di tensione. La tensione di alimentazione è suddivisa in 8 livelli da un partitore resistivo multiplo in modo da creare 8 diversi livelli di riferimento per la comparazione. I morsetti non invertenti sono tutti connessi assieme e portati alla sorgente del segnale da visualizzare. il trimmer posto alla massa alza e abbassa in funzione della sua regolazione tutti i livelli del valore desiderato. Se le resistenze sono tutte uguali la suddivisone della scala misurabile è lineare ma è possibile calcolarne il valore in modo da ottenere una compressione logaritmica. il circuito può anche essere utilizzato come VU-meter.
Schema elettrico del circuito con 8 comparatori.
La barra dei L.E.D. sarà montata in una basetta apposita predisposta per essere installata nei pannelli frontali degli apparecchi che necessitano una visualizzazione di un livello.
Nell'immagine che segue vediamo il layout dei componenti della basetta per la visualizzazione di 8 livelli.
Nel disegno sottostante possiamo vedere i collegamenti distinti per colore, in rosa è evidenziato il percorso del segnale da misurare, in nero i percorsi della massa, in rosso la tensione di alimentazione +Vcc che potrà avere un valore variabile tra 10 e 24 Volt. La tensione di alimentazione verrà scielta in funzione del valore della tensione da misurare e visualizzare nel display, se ad esempio volessimo visualizzare un segnale compreso tra 0 e 10 volt dovremmo inserire un regolatore di tensione che valga almeno 12 Volt dato che vi sono delle inevitabili cadute interne di circa 2 volt. Per mantenere una corretta numerazione dei LED crescente da sinistra verso destra, è stato necessario introdurre qualche ponticello, ma il collegamento del cavo flat risulta più agevole.
nota importante: Dal link sottostante potrai scaricare il PCB per realizzare il circuito, esso è realizzato con FidoCad, se quando lo apri vedi solo una lista di numeri (netlist), significa che non hai installato il Fidocad nel tuo PC, questo software è gratuito, è totalmente sicuro per il tuo PC e richiede solo un minuto per il download da questo sito. Se ancora non lo hai scaricato lo puoi ottenere cliccando qui -> FidoCad.
download file FidoCad (comparatori a 8 livelli)
Schema elettrico del circuito con 16 comparatori.
Estendiamo la scheda ad un numero doppio di comparatori, questo risulta piuttosto semplice dato che sarà sufficiente modificare leggermente l'unione due schede a 8 comparatori.
L'aspetto della basetta standard 100 x 160 mm, che ospita due esemplari del circuito ed i relativi porta LED da pannello è rappresentato nella figura sottostante. (NOTA: nella versione scaricabile i LED saranno 16 e non 15 come riportato in figura).
Questo circuito può ben sostituire lo strumento a lancetta che indica la tensione di uscita di un alimentatore.
Nella fase di taratura si dovrà agire sul trimmer fino a che si accende al livello di uscita minimo il LED meno significativo.
Sulla serigrafia relativa al primo LED riportiamo il valore di tensione letto sul voltmetro collegato in parallelo all'uscita.
Agiamo ora sul potenziometro di regolazione del livello di uscita, ed a ogni soglia di comparazione intercettata riportiamo sulla serigrafia del LED corrispondente il valore di tensione letto.
download dell'immagine del PCB
download del file Fidocad a 16 comparatori
L'immagine sottostante riporta il Layout dei componenti relativo alla scheda di misura standard 100x 160 mm nella quale sono inseriti due esemplari e due supporti da pannello per i 16 LED.
download dell'immagine gift del Layout componenti
Riporto nella foto sottostante un esemplare montato e collaudato, il bargraph (barra dei LED) è montato su un PCB predisposto per il montaggio sul pannello frontale dello strumento a cui verrà destinato e collegato tramite un classico cavo flat. Nella foto possiamo notare il potenziometro usato per simulare il segnale analogico la cui intensità verrà visualizzata dai LED. Sul lato destro affianco al trimmer da 10KOhm possiamo vedere il nome dell'allievo (Fedeli Thomas) della classe 3à elettrotecnici della scuola dei salesiani di schio (Vi) che durante le esercitazioni pratiche di laboratorio ha eseguito un montaggio perfetto risultato subito funzionante.
Per un corretto funzionamento del circuito si raccomanda di eseguire con particolare cura le saldature della rete resistiva che crea i riferimenti per i comparatori, basterà infatti che una sola di queste numerose saldature sia "fredda" per compartare anomalie di funzionamento del misuratore di tensione a barra LED.
Fotocellula con uA741 o equivalente.
Con un semplice comparatore possiamo costruire una fotocellula di impiego didattico. il funzionamento è di immediata comprensione: I livelli di tensione agli ingressi invertente e non invertente vengono confrontati e quando V+ risulterà maggiore di V- l'uscita risulterà alta. Il livello di tensione dell'alimentazione +Vcc determina anche il livello di uscita del segnale. Alimentando il circuito a +24 Volt rispetto alla massa si ottiene la compatibilità con i livelli di ingresso dei PLC, mentre alimentandolo a 6,4 Volt si ha la compatibilità con le logiche TTL anche se può risultare più comodo alimentare a tensioni maggiori maggiori, ad esempio 12 volt, e trasferire il segnale tra la fotocellula e la scheda TTL attraverso un regolatore di tensione di tipo TL7805.
Le fotoresistenze più comuni in commercio hanno un valore compreso tra 50 ohm (luce laser incidente) e 5Kohm (assenza di luce). La fotocellula proposta trova ampio utilizzo nel modellismo, ovvero in quell'ambito in cui non sono richieste sicurezze di tipo industriale. Su brevi distanze si può pensare di colpire il sensore con la luce di L.E.D. ad alta efficienza, quando un ostacolo impedirà alla luce di colpire la fotoresistenza il comparatore cambia di stato segnalandone la presenza. quando un oggetto impegna la fotocellula essa risponde spegnendo il Led, (sensore in logica negata).
Nelle immagini sovrastanti possiamo vedere una basetta vista dal lato rame e un circuito assemblato visto dal lato componenti, nei due fori che notiamo essere liberi affianco al trimmer verrà montata la fotoresistenza e piegata in avanti. Il circuito risulta essere davvero molto compatto.
Layout dei componenti, come possiamo notare la dimensione risulta estremamente ridotta, meno di due centimetri per 5 compresa la morsettiera a vite da stampato a tre posizioni. per un utilizzo ottimale si consiglia di costruire delle "forcine" in cui un lato è costituito da un led sempre acceso d alta luminosità mentre l'altro è il sensore della ftc della nostra fotocellula. Le parti mobile dell'automa dovranno essere muniti di una protuberanza "camma" che durante la traslazione si inserisca tra il led e la fotoresitenza in modo che il comparatore ne rilevi la presenza.
download file FidoCad, basetta 100x160, PCB con 17 esemplari.
Nella foto sottostante vediamo una basetta dopo il processo di fotoincisione e di corrosione con il cloruro ferrico, nella fase successiva si dovrà procedere alla foratura con la punta da 1 mm e con quella da 1,5 mm per i morsetti e quei componenti che lo richiedono ad esempio il trimmer e i cavi di collegamento. I 4 esemplari della colonna di destra sono già stati forati.
