Molti degli argomenti trattati nell'unità 21 sono affrontati anche nel corso di Tecnologia e Progettazione di Sistemi Elettrici ed Elettronici. Alcuni argomenti già svolti in tale corso saranno solo accennati.
Nelle applicazioni dell'elettronica è necessario misurare delle grandezze fisiche per monitorare i processi, memorizzarne l'andamento o intervenire su di essi. Per far questo occorre acquisire ed elaborare dei segnali che rappresentano tali grandezze; la fase dell'elaborazione è sempre più spesso affidata a dispositivi elettronici digitali (microcontrollore, PLC) e per fare questo si rende necessario convertire i segnali da analogico a digitale e viceversa.
La figura 1 mostra lo schema a blocchi di un sistema di acquisizione dati:
Questa sezione si occupa dei trasduttori e del condizionamento del segnale.
Ovviamente la classificazione più ovvia è quella in base alla grandezza acquisita. Vengono detti secondari i trasduttori la cui grandezza è acquisita sfruttandone un'altra (ad esempio i sensori di forza sono basati su quelli estensimetrici e quelli di posizione su sensori fotoelettrici, magnetici o capacitivi, ecc.).
Il termine sensore è in genere confuso con quello di trasduttore; quando si fa distinzione si intende per sensore solo l'elemento sensibile e per trasduttore l'intero dispositivo che integra il sensore e un circuito di condizionamento.
Facciamo l'ipotesi che il sensore sia analogico e il suo funzionamento quasi-statico, cioè che le variazioni della grandezza siano lente rispetto al tempo risposta del trasduttore.
Quando utilizziamo un trasduttore ci interessa:
Se il trasduttore è lineare e produce un segnale in tensione il condizionamento spesso consiste solo nel normalizzare il segnale, cioè portarlo in un range di valori predefinito, ad esempio 0 ÷ 5 Volt. Per far questo occorre:
La figura 7 mostra uno schema di questo semplice sistema di condizionamento. Se `[x_1, x_2]` è il range della grandezza acquisita e `V_t` il segnale del trasduttore sarà necessario imporre:
`V_(OFS)=V_t(x_1) quad , quad A = V_(oMAX)/(V_t(x_2)-V_t(x_1))`
Il paragrafo prende in esame termoresistenze, termistori (NTC) e integrati.
Nei conduttori metallici la resistività aumenta con la temperatura e per un conduttore vale:
`R(T)=R(0)(1+alpha T)`
dove R(0) è la resistenza a 0°C e α il coefficiente di temperatura (positivo). Il materiale con le migliori caratteristiche, cioè buona linearità in un campo molto grande di temperature, è il platino. La tabella 1 fa riferimento a una termoresistenza Pt100 (al platino con 100 Ω di resistenza a 0°C) con i valori di resistenza in un range da -100 a 800 °C 3). I difetti di questi trasduttori sono:
Il circuito di condizionamento per questo trasduttore è il ponte resistivo linearizzato mostrato in figura 9. Questo circuito, derivato dal ponte Wheatstone:
La corrente - costante nell'ipotesi V+ = V- - vale:
`I=V_R/(R_0 + R)`
di conseguenza la tensione in uscita vale:
`V_O=- (Delta R)/(R_0 + R) V_R`
I termistori o resistori NTC sono componenti a semiconduttore con coefficiente di temperatura negativo (NTC) che presentano una sensibilità molto maggiore delle termoresistenze ma un comportamento non lineare. La figura 12 come la resistenza diminuisca con la temperatura con un andamento esponenziale quindi tipicamente non-lineare - se non per piccoli intervalli.
Questi sensori vengono impiegati dove la linearità non è molto importante, per realizzare trasduttori secondari o per stabilizzare in temperatura gli amplificatori di potenza.
Nell'unità 11A abbiamo visto come la tensione ai capi di una giunzione PN dipenda dalla temperatura 4). Sfruttando questo fenomeno è possibile realizzare trasduttori integrati di temperatura che contengono, oltre al sensore, circuiti per il condizionamento del segnale (tipicamente amplificazione, normalizzazione e linearizzazione del segnale).
Il sensore AD590 della Analog Devices si comporta come un generatore di corrente dove:
`I = k·T`
dove k = 1 (μA)/K e la corrente in μA coincide con la temperatura in gradi Kelvin. Le principali caratteristiche di questo sensore sono:
Producendo un segnale in corrente il sensore permette di realizzare circuiti di misura:
Questo permette di posizionare il sensore lontano dal circuito di condizionamento e misura.
Per contro se occorre un segnale in tensione si deve ricorrere ad un circuito convertitore I/V (corrente/tensione) come quello mostrato in figura 16a, dove:
Il sensore LM35 della National è un componente a tre terminali 5) che produce una tensione proporzionale alla temperatura:
`V=k·T`
con k = 10 mV/°C. Le principali caratteristiche sono:
I principali difetti di un circuito di misura con LM35 sono:
I trasduttori fotoelettrici trasformano una variazione di intensità luminosa in un segnale elettrico. Si distingue tra:
Le tre tipologie principali di fotoconduttori (fotoresistenze, fotodiodi e fototransistor) sfruttano il fenomeno per cui la conduttività di un semiconduttore aumenta al crescere dell'intensità luminosa che lo colpisce.
Una fotoresistenza è composta da un materiale semiconduttore e due elettrodi disposti a pettine, come schematizzato in figura 19. La sua resistenza dipende dall'intensità luminosa e scende da 1MΩ a poche decine di Ohm passando dalla totale oscurità ad un illuminamento di 1000 lux. Le principali caratteristiche delle fotoresistenze sono:
Sono facili da utilizzare e possono pilotare direttamente anche piccoli carichi (in figura 21a la bobina di un relé) ma la loro lentezza ne limita l'impiego. La curva caratteristica di figura 20 mostra come la relazione tra resistenza e illuminamento appaia lineare se si usa una scala logaritmica per entrambe le grandezze.
I fotodiodi sfruttano il fenomeno per cui una giunzione PN polarizzata inversamente genera una corrente se esposta alla radiazione luminosa6). Per tensioni inverse maggiori di 1 Volt vale:
`I = - (I_L + I_0)`
dove IL è la corrente proporzionale al flusso luminoso e I0 la corrente di fuga del diodo. La figura 22 mostra la caratteristica di un fotodiodo7). Le caratteristiche principali dei fotodiodi sono:
Le figure 23a e 23b mostrano due esempi applicativi: un rivelatore di luce modulata (con filtro attivo passa-alto) e un fotodiodo usato in cortocircuito (vale l'ipotesi di massa virtuale) con un convertitore corrente-tensione.
I fototransistor sono BJT che sfruttano lo stesso fenomeno dei fotodiodi nella giunzione base-collettore. Polarizzati normalmente ma con la base aperta (scollegata) generano una corrente di collettore proporzionale all'illuminamento (vedi la caratteristica di figura 24a). Le caratteristiche principali dei fototransistor sono:
Il circuito di figura 24b è un esempio applicativo di un traguardo fotoelettrico: il fototransistor rileva la luce emessa dal LED e pilota la porta NOT (triggerata per commutare senza incertezze) che fornisce un'uscita TTL.
Nei conduttori di sezione circolare vale la relazione:
`R= rho l/S`
dove ρ è la resistività, l la lunghezza e S la sezione. Se il conduttore è sottoposto a trazione l aumenta mentre S diminuisce e l'effetto complessivo è un aumento della resistenza. I trasduttori estensimetrici (o estensimetri) sfruttano questo fenomeno traducendo piccole deformazioni in variazioni di resistenza. Dal momento che queste deformazioni sono spesso proporzionali alle forze che le hanno generate gli esetensimetri possono essere utilizzati per misurare la forza, il peso, la coppia e la pressione.
La figura 25a mostra schematicamente come è realizzato un estensimetro: un sottile filo metallico, ripiegato per aumentare la sensibilità, è disposto su un materiale isolante e flessibile; le deformazioni in direzione orizzontale vengono rilevate ai reofori con una variazione di resistenza. Vale:
`(Delta R)/R = K_E (Delta l)/l`
dove KE esprime la sensibilità dell'estensimetro8).
Gli estensimetri vengono utilizzati a coppie in strutture a ponte come quella di figura 25b. Questa soluzione permette di:
Se, come in figura, un solo estensimetro è sollecitato, vale la relazione:
`V_O ~~ (K_E V_a)/4 cdot (Delta l)/l`
se si deformano entrambi la tensione raddoppia. La relazione è approssimata ma accettabile perché le varizioni di resistenza sono contenute rispetto al valore della resistenza stessa.
I ponti estensimetrici, disposti opportunamente lungo una trave che si deforma, sono utilizzati per misurare le forze (ad esempio il peso nelle bilance elettroniche); in questo caso il trasduttore completo viene detto cella di carico.
Montando un ponte estensimetrico su una membrana flessibile posta in una camera in cui è stato fatto il vuoto è possibile realizzare un sensore di pressione.
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