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21A - Trasduttori e condizionamento dei segnali parte prima

Premessa

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.

1 Nozioni di base

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:

  • la grandezza da acquisire - non elettrica e tipicamente analogica - viene trasformata in un segnale elettrico da un dispositivo detto trasduttore1)
  • il segnale del trasduttore deve essere adattato per renderlo compatibile con i dispositivi che devono utilizzarlo; questo significa filtrare, amplificare e traslare il segnale. Ad esempio potrebbe essere necessario eliminare la componente continua e i disturbi e portare il segnale in un range predefinito (valori tipici sono 0 ÷ 5 V e 4 ÷ 20 mA). Questa serie di operazioni prende il nome di condizionamento del segnale2)
  • il segnale viene convertito in digitale da un convertitore analogico/digitale (A/D o ADC) per permetterne l'elaborazione con un dispositivo elettronico digitale
  • i dispositivi digitali (microcontrollori, computer, PLC, DSP) presentano numerosi vantaggi rispetto a quelli analogici e in particolare permettono di elaborare e memorizzare in maniera rapida ed efficiente le informazioni; trattandosi di dispositivi programmabili e specializzati è possibile utilizzarli in maniera molto versatile e realizzare controlli sofisticati, come quello ad anello chiuso di figura 2
  • nell'esempio di figura 2 il sistema di controllo deve agire sul processo da controllare e per far questo si rende necessario trasformare il segnale in uscita dal dispositivo di elaborazione da digitale ad analogico con un convertitore digitale/analogico (D/A o DAC)
  • intervenire sul processo richiede una potenza adeguata; è necessario allora uno stadio di amplificazione di potenza che porti il segnale, che ha un contenuto energetico molto basso, ad un livello adeguato
  • l'attuatore trasforma la grandezza elettrica di potenza in un altra grandezza fisica e di fatto modifica il processo; esempi di attuatori sono: un motore, un'elettrovalvola, un elemento riscaldante, un diffusore audio

Questa sezione si occupa dei trasduttori e del condizionamento del segnale.

2 Classificazione dei trasduttori

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.

3 I parametri caratteristici dei trasduttori

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:

  • che la transcaratteristica sia invertibile, cioè che ad un valore dell'uscita corrisponda un solo valore in ingresso (ad esempio nella figura 3 il range in cui è utilizzabile il sensore è limitato al valore xmax)
  • che abbia una sensibilità elevata, intesa come rapporto tra la variazione dell'uscita e la corrispondente variazione dell'ingresso
  • che abbia un comportamento lineare perché in questo caso la sensibilità è costante su tutto il range di ingresso e la taratura è estremamente semplice (bastano solo due punti per individuare la caratteristica di trasferimento3))

4 Scala e offset nel condizionamento di un trasduttore analogico

Se il trasduttore è lineare e produce un segnale in tensione il condizionamento può essere sufficiente normalizzare del segnale, cioè portarlo in un range di valori predefinito, ad esempio 0 ÷ 5 Volt. Per far questo occorre:

  • aggiungere un offset per portare a 0 Volt il valore di tensione corrispondente al valore minimo della grandezza acquisita
  • amplificare il segnale

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))`

5 Trasduttori di temperatura

Il paragrafo prende in esame termoresistenze, termistori (NTC) e integrati.

Termoresistenze

Una termoresistenza è un conduttore metallico con un caratteristica resistenza/temperatura nota con precisione. 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 4). I difetti di questi trasduttori sono:

  • la bassa sensibilità che richiede grandi amplificazioni
  • l'autoriscaldamento dovuto al passaggio di corrente nella termoresistenza

Il circuito di condizionamento per questo trasduttore è il ponte resistivo linearizzato mostrato in figura 9. Questo circuito, derivato dal ponte Wheatstone:

  • alimenta il trasduttore a corrente costante per produrre un segnale di tensione proporzionale alla variazione di resistenza
  • permette la regolazione dello zero (inizio scala)

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`

Resistori NTC e PTC

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.

Sensori di temperatura integrati

Nell'unità 11A abbiamo visto come la tensione ai capi di una giunzione PN dipenda dalla temperatura 5). 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:

  • range da -55 a 150 °C
  • alimentazione tra 4 e 30 V
  • elevata velocità di risposta
  • errori di offset e di scala compensabili circuitalmente
  • buona linearità (± 0,8 °C su tutta la scala)

Producendo un segnale in corrente il sensore permette di realizzare circuiti di misura:

  • immuni ai disturbi
  • insensibili alla caduta di tensione

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 è alimentato con tensione negativa
  • la corrente IR serve a regolare l'inizio scala (temperatura corrispondente a 0 Volt)
  • la resistenza R2 serve a regolare la scala

Il sensore LM35 della National è un componente a tre terminali 6) che produce una tensione proporzionale alla temperatura:

`V=k·T`

con k = 10 mV/°C. Le principali caratteristiche sono:

  • range da -55 a 150 °C
  • alimentazione tra 4 e 30 V
  • precisione ± 1 °C
  • facile utilizzo (vedi figura 17a)

I principali difetti di un circuito di misura con LM35 sono:

  • scarsa immunità ai disturbi
  • caduta di tensione lungo il cavo tra sensore e circuito
  • problemi con carichi capacitivi (ad esempio cavi schermati lunghi)

Extra

  • esempio 1: condizionamento di una termoresistenza (regolatore di tensione, ponte linearizzato, amplificatore con filtro passa basso e regolazione di zero e scala)
  • esempio 2: convertitore I/V per AD590 (regolatore di tensione, dimensionamento resistenze, filtraggio e regolazione di zero e scala)
  • esercizio 3: condizionamento di un LM35

6 Trasduttori fotoelettrici

I trasduttori fotoelettrici trasformano una variazione di intensità luminosa in un segnale elettrico. Si distingue tra:

  • dispositivi fotoemissivi, che vengono utilizzati solo in applicazioni speciali
  • celle fotovoltaiche, impiegate per generare energia elettrica
  • elementi fotoconduttori, utilizzati come sensori

Elementi fotoconduttori

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:

  • robustezza ed economicità
  • alimentazione in continua o alternata
  • elevata sensibilità
  • lentezza

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 luminosa7). 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 fotodiodo8). Le caratteristiche principali dei fotodiodi sono:

  • discreta sensibilità
  • generando piccole correnti (nell'ordine dei μA) necessitano di opportuni circuiti di condizionamento
  • sono molto veloci (sono utilizzati come rivelatori nei sistemi a fibra ottica)

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:

  • elevata sensibilità
  • buona velocità
  • rumore contenuto
  • generando correnti nell'ordine dei milliampère possono pilotare direttamente dispositivi logici (ad esempio negli encoder)

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.

Extra

  • non solo teoria 2: interruttore crepuscolare con fotoresistenza

7 Trasduttori estensimetrici

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'estensimetro9).

Gli estensimetri vengono utilizzati a coppie in strutture a ponte come quella di figura 25b. Questa soluzione permette di:

  • aumentare la sensibilità se le deformazioni dei due estensimetri avvengono in senso opposto
  • compensare gli errori dovuti alle variazioni di resistenza dovute alla temperatura (che coinvolgono entrambi)

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.

Celle di carico

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.

Sensori di pressione

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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1)
il segnale in genere è analogico e spesso una tensione (ma non sempre, può essere una corrente o un segnale digitale come nel caso degli encoder)
2)
alle volte il condizionamento del segnale è integrato nel trasduttore stesso
3)
spesso i sensori sono progettati per avere un comportamento lineare - almeno in un determinato range di valori - o vengono resi lineari con appositi circuiti di linearizzazione
4)
nell'ultima colonna è riportata la sensibilità che, variando poco, indica una buona linearità nel range considerato
5)
la tensione VD diminuisce con la temperatura
6)
i package è tipo transistor
7)
il fenomeno è dovuto alle cariche minoritarie che si generano grazie all'apporto energetico della radiazione luminosa
8)
corrente e tensione sono inverse e si lavora nel terzo quadrante
9)
quelli a semiconduttore hanno sensibilità maggiore di quelli metallici ma sono più costosi e fragili
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sezione_21a.txt · Ultima modifica: 2017/02/13 15:24 da admin