Convertitore t/f

Materie:Appunti
Categoria:Elettronica

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Testo

Titolo: convertitore tensione_frequenza
Materiale occorrente: alimentatore, breadboard, multimetro, oscilloscopio, frequenzimetro.
Componenti: Convertitore integrato LM331; Resistori: 2x100 kΩ; 6,8 kΩ; 47 kΩ; 2x22 kΩ; Condensatori: 1 µF; 10nF; 100 nF; Potenziometri: 5 kΩ; 100 kΩ;
Cenni teorici:
Generale
I componenti elettronici lineari sono quelli il cui funzionamento può essere descritto attraverso relazioni lineari tra le grandezze elettriche che li caratterizzano; tali relazioni, riportate in grafico, hanno un andamento rettilineo. Alcuni esempi di componenti elettronici lineari sono: generatori di tensione, generatori di corrente, resistori o resistenze, condensatori e induttori. Si definiscono bipoli lineari quei componenti a due terminali caratterizzati da una relazione matematica lineare tra la tensione applicata e la corrente che scorre tra i terminali. Si dicono attivi i bipoli che hanno un generatore, in quanto sono in grado di provocare uno spostamento di cariche elettriche; i bipoli che non contengono generatori sono detti passivi.
Resistore
La resistenza in generale è una proprietà dei materiali a non lasciarsi attraversare dalla corrente, cioè movimento di carica negativa. Nell’elettronica, il resistore o resistenza è un dipolo in cui il rapporto tra la differenza di potenziale (V) ai morsetti e la corrente (I) che scorre, risulta costante; questo rapporto è detto resistenza (R) ed è misurato in Ohm ())))La legge di Ohm è: R=V/I.
Quando la corrente circola in un circuito incontra un certo ostacolo durante il percorso. Vale a dire che nonostante percorre il circuito alla velocità della luce, la corrente che può passare dipende da come è costruito il componente, cioè dalla sua lunghezza, dalla sua sezione, dal materiale utilizzato. Si dice resistenza di un componente elettrico l'ostacolo che esso oppone al passaggio della corrente elettrica. Lo strumento che misura la resistenza si dice ohmmetro.
Per la resistenza esistono i multipli, secondo la seguente tabella:
si scrive
Si legge
Si moltiplica
kk
Chiloohm
103
MM
Megaohm
106
Il simbolo elettrico del resistore è:

Legge di Ohm
La legge di Ohm è una legge fondamentale dell'elettrotecnica. Essa indica la relazione fra la tensione e la corrente di un qualunque componente elettrico. La formula è la seguente:
V = R I
Dove V è la tensione ai capi del componente considerato, R è la resistenza del componente, I è la corrente che scorre nel componente. Tale formula ci dice che vi è una proporzionalità diretta tra tensione e corrente del componente. Infatti, tenendo costante la resistenza del componente, all'aumentare della tensione applicata ai capi del componente aumenta la corrente che circola nel componente stesso.
Collegamento parallelo
n-componenti elettronici lineari si dicono collegati in parallelo, quando sono tutti sottoposti alla stessa tensione (V).
Tutti gli utilizzatori che abbiamo in casa (televisore, frigorifero, lavatrice, lampade, caldaia, ecc.) sono collegati in parallelo e, quindi, sono alimentati dalla stessa tensione di 230 volt.
Per calcolare la resistenza realizzata da resistori collegati in parallelo si applica la formula:

R = 1/((1/R1)+(1/R2)+(1/R3)…)
Collegamento in serie
n-componenti elettronici lineari si dicono collegati in serie, quando sono tutti percorsi da una stessa corrente (I)
Una ovvia conseguenza di questo tipo di collegamento è che tutte le resistenze sono attraversate dalla stessa corrente. L'effetto globale è uguale a quello di un'unica resistenza, chiamata resistenza equivalente, avente come valore la somma delle singole resistenze:

R = R1 + R2 + R3 + R4
Per calcolare il valore delle resistenze basta utilizzare la tecnica di sotto citata Tabella della verità.
Condensatore
In termini generali tutte le volte che due parti di materiale conduttore (che chiameremo armature) vengono a trovarsi vicine e separate da materiale isolante, si ha un condensatore.

Le cariche presenti all'interno di una armatura attraggono le cariche di segno opposto presenti nell'altra armatura, ma non possono incontrarle per la presenza dell'isolante.
La situazione descritta si crea quando colleghiamo un'armatura al potenziale positivo e l'altra al potenziale negativo di un generatore di tensione continua. In questo modo il condensatore funge da accumulatore di cariche elettriche.

Il condensatore è caratterizzato da una capacità (C), che si misura in farad (F) e che dipende:
- in modo direttamente proporzionale dalla grandezza delle armature;
- in modo inversamente proporzionale dalla distanza delle armature;
- dal tipo di isolante interposto tra le armature.
Per il condensatore esistono i multipli, secondo la seguente tabella:
si scrive
Si legge
Si moltiplica
KF
Chilofarad
103
MF
Megafarad
106
Nel circuito, dopo la carica del condensatore in tempi normalmente brevissimi, non circola corrente. Infatti il circuito risulta interrotto dall'isolante del condensatore.
Collegamento parallelo
Per calcolare la capacità realizzata da condensatori collegati in parallelo si applica la formula:

C = C1+C2+C3+…+Cn
Collegamento in serie
Se colleghiamo più condensatori in modo che al terminale di uscita di ognuna sia collegato il solo terminale di ingresso di un'altra, otteniamo un collegamento in serie.
Una ovvia conseguenza di questo tipo di collegamento è che tutti i condensatori sono attraversate dalla stessa corrente. L'effetto globale è uguale a quello di un unico condensatore, chiamato condensatore equivalente.

C = 1/((1/C1)+(1/C2)+(1/C3)…)
Oscilloscopio
L’oscilloscopio è uno strumento che permette di visualizzare qualsiasi tipo d’onda,e permette di calcolare ampiezza e il valore di picco. Il monitor dell’oscilloscopio è diviso in quattro parti,ogni parte è diviso in quadratini ,ogni quadratino corrisponde un valore a seconda della scala impostata. Questo strumento presenta due commutatori di portata(CH1,CH2),ci permettono di visualizzare contemporaneamente due segnali d’onda.
Verifica Sperimentale:
Il convertitore tensione-frequenza consente di misurare una tensione continua attraverso la misura di una frequenza.
Il convertitore tensione-frequenza è costituito sostanzialmente da un circuito di ingresso integratore (Fig.1.1) cui viene applicata la tensione incognita di valore costante Vx. Per la presenza della massa virtuale sul morsetto invertente dell’operazionale, la corrente d’ingresso risulta costante e pari a I = Vx/R.
Fig.1.1 - Schema di principio del convertitore tensione/frequenza.
Se l’interruttore sw in parallelo al condensatore C è chiuso, la corrente I fluisce attraverso il corto circuito ai capi del condensatore C e la tensione d’uscita vc risulta nulla.
Quando l’interruttore sw viene aperto, la corrente fluisce nel condensatore (inizialmente scarico) e lo carica ad una tensione che ha l’andamento di una rampa:
La rampa vc in uscita dall’integratore viene applicata al successivo comparatore che presenta all’altro ingresso una tensione di riferimento Vref.
Questa tensione di riferimento, per il corretto funzionamento del dispositivo, deve risultare di segno opposto alla tensione d’ingresso Vx.
Per comprendere meglio il funzionamento del circuito, si consideri l’esempio riportato in Fig.1.2, dove la tensione incognita Vx > 0 e quindi Vref = < 0.
Dopo il tempo di integrazione T, la tensione vc, rappresentata a tratto pieno, raggiunge il valore della tensione Vref = -VR a cui si ha scatto del comparatore.
Fig.1.2 - Andamento della tensione vc in uscita dall’integratore.
Lo scatto del comparatore, a sua volta, comanda il dispositivo one shot (letteralmente generatore di un impulso). L’impulso generato dall’one shot chiude l’interruttore statico sw (switch) in parallelo al condensatore C, che viene così bruscamente scaricato (reset).
Se si ammette in prima approssimazione che il fenomeno di reset sia istantaneo, l’integratore riprende immediatamente a generare la rampa alla sua uscita, iniziando così un nuovo ciclo identico al precedente. L’uscita dell’one shot assume nel tempo l’andamento di un treno di impulsi la cui frequenza si ottiene dalla condizione di coincidenza:
La frequenza del treno di impulsi risulta quindi proporzionale alla tensione incognita Vx.
In Fig.1.2 sono riportati gli andamenti di vc per due valori di tensione: Vx e Vx’

Esempio