Indicatore di luminosità

Materie:Altro
Categoria:Elettronica

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Testo

Data esperienza: 28/04/2005
IVa A Elettronica e Telecomunicazioni Data consegna: 05/05/2005
AS 2004 - ‘05
Indicatore di luminosità
Scopo: Realizzare un circuito la cui funzione è di far accendere un led in presenza di luce e di accenderne un secondo in assenza di luce.
Obbiettivi didattici: 1) Imparare ad utilizzare un comparatore di precisione (LM 311);
2) Imparare a realizzare un convertitore di corrente-tensione ( I – V );
3) Conoscere il funzionamento di un fotodiodo;
4) Imparare a compilare una relazione tecnica in maniera completa;
5) Imparare come si collega correttamente un operazionale;
6) Imparare a leggere un Data Sheet.
Schema del circuito:
Componenti: U1 = TL081
U2 = LM311
R = 1,3 MΩ
R’ = 1 MΩ (trimmer)
Rp = 1,5 kΩ
R1 = R2 = 680 Ω
RA = RB = 39 KΩ
DL1 = DL2 = diodo led
FD = fotodiodo
Alimentazione: Vcc = +12 V
Vcc’ = +5 V
Vee = -12 V
Strumenti: Multimetro
Informazioni sui componenti: Comparatore di precisione LM311
Descrizione generale e note applicative
È un comparatore integrato molto versatile che fornisce ottime prestazioni per quanto riguarda sia il tempo sia la precisione della risposta. Esso può essere alimentato con alimentazione duale ±15V, oppure con alimentazione unipolare da 5V a 30V, ciò consente una notevole semplificazione dei circuiti di alimentazione.
Un altro aspetto molto interessante è costituito dal fatto che il 311 può pilotare direttamente circuiti digitali TTL, CMOS, MOS indipendentemente dai valori dell'alimentazione Questo componente è interpretabile come un operazionale seguito da un BJT con collettore ed emettitore aperti. Quando l'ingresso IN+ è più positivo dell'ingresso IN-, il transistore di uscita è in interdizione (OFF). Quando l'ingresso IN+ è più negativo dell'ingresso IN-, il transistore di uscita è in saturazione (ON).
Il terminale del collettore deve essere collegato, tramite un'opportuna resistenza, ad una sorgente di alimentazione positiva (con un valore massimo di 40V rispetto al terminale -VCC). Il terminale di emettitore viene connesso normalmente a massa.
La struttura a collettore aperto consente anche di collegare più comparatori in configurazione Wired-OR, quando si vuole implementare più operazioni di confronto.
Altra particolarità del 311 è la presenza dell'ingresso di strobe (terminale 6, indicato con B/S, per bilanciamento e strobe). Il piedino di strobe consente di abilitare o disabilitare il funzionamento del comparatore. Quando lo strobe è a livello alto, fluttuante o collegato a VCC, il comparatore funziona normalmente. Quando lo strobe è basso, collegato a massa attraverso una resistenza che limiti la corrente a 3 – 5 mA (in genere di 10 KΩ ), l'uscita rimane a livello alto, indipendentemente dai segnali presenti sugli ingressi. Tale caratteristica consente di effettuare comparazioni di segnali in sincronismo con determinati stati di un sistema o con temporizzazioni particolari.
Il piedino 6, collegato al piedino 5 con un trimmer il cui cursore è collegato a +VCC, consente di regolare l'offset del comparatore.
Caratteristiche:
- Funziona con alimentazione singola di 5V.
- Massima corrente di ingresso: 250 mA.
- Massima corrente di offset: 50 mA.
- Intervallo della tensione differenziale di ingresso: ±30V.
- Consumo di potenza: 135mW a ±15V.

Valori massimi assoluti:
- Tensione di alimentazione totale (V82) 36V
- Uscita rispetto alla tensione di alimentazione negativa (V74) 40V
- Massa rispetto alla tensione di alimentazione negativa (V14) 30V
- Tensione differenziale di ingresso ±30V
- Tensione di ingresso ±15V
- Dissipazione di potenza 500mW
- Durata del cortocircuito dell'uscita 10s
- Intervallo della temperatura di funzionamento da 0°C a 70°C
- Intervallo della temperatura di magazzinaggio da -65°C a 150°C
- Sovraccarico termico (saldatura, 10s) 300°C
- Tensione al pin di strobe +VCC - 5V
Diagramma delle connessioni
Nel nostro circuito il comparatore è identificabile nella seguente porzione di circuito:

Fotodiodi
Al contrario dei led, i fotodiodi non emettono luce bensì entrano in funzione quando ne ricevono dall’esterno. Più precisamente, quando sono illuminati, oppongono una resistenza molto bassa al passaggio della corrente, nella misura di alcune decine di ohm, mentre al buio la loro resistenza diviene elevatissima, dell'ordine dei 10 megaohm. Nei circuiti utilizzatori, i fotodiodi vanno inseriti con polarizzazione inversa, al contrario dei diodi led che, per accendersi, debbono essere polarizzati direttamente. In sostanza, il fotodiodo si comporta come una resistenza variabile o, meglio, come una fotoresistenza, il cui valore ohmmico dipende da quello della luce che lo colpisce.
Per distinguere il simbolo teorico del diodo led da quello del fotodiodo si è attribuito, alla piccola freccia, che raffigura la presenza di raggi di luce, in un senso diverso. Infatti, nel diodo led, che è un emettitore di luce, la freccia è rivolta verso l'esterno, nel fotodiodo, che per funzionare deve ricevere luce dall'esterno, la freccia è rivolta verso la zona interna del componente.
E ciò è chiaramente illustrato in figura 1.

VFD = VK - VA
VFD > 0
IL = KE
E = ∆E / (∆t ∆s)
Energia della radiazione luminosa che nell’unità di tempo incide sull’unità di superficie
Fig. 1 - II simbolo teorico del fotodiodo si differenzia da quello del diodo led per il verso della piccola freccia che, in questo caso, è rivolta verso la zona interna del componente.

L'espressione esteriore del fotodiodo è quella pubblicata in figura 2. Come è facile intuire, questa non si differenzia dall'altra riportata a destra di figura 1, che rappresenta un comunissimo diodo led. Perché anche questa volta, infatti, sul contenitore è presente una tacca-guida, che consente di individuare l'esatta posizione dell'elettrodo di catodo (k), ed anche in questo caso il conduttore corrispondente è il più lungo fra i due
Fig. 2 - Espressione esterna ed interna reale di un fotodiodo, nel quale il catodo (k) è generalmente rappresentato dall'elettrodo più lungo e talvolta, occasionalmente, da quello più corto (tratteggio aggiunto sul terminale di anodo).
Tuttavia, nel disegno di figura 2, sull'elettrodo di anodo (a) è stato aggiunto un piccolo prolungamento, segnalato mediante tratteggio, che vuol indicare un dato molto importante, il seguente. Può capitare, a volte, che nei fotodiodi ed anche nei diodi led, il terminale più lungo siaquello di anodo (a) e non l'altro di catodo (k), contrariamente alla regola che tutti conoscono. Dunque, non conviene mai fare affidamento assoluto sulla maggiore o minore lunghezza di uno dei due elettrodi, ritenendo invece certa l'indicazione fornita dalla tacca-guida, che segnala sempre la posizione sicura del terminale di catodo (k).
Il comportamento del fotodiodo è facilmente riscontrabile se si realizza il circuito di figura 3, nel quale FD è rappresentato dal modello BPW43, mentre la resistenza R vale 1 KΩ.

Fig. 3 - II fotodiodo, per funzionare, deve essere polarizzato inversamente, con il morsetto positivo dell'alimentatore collegato sul catodo e quello negativo sull’anodo. A seconda della quantità di luce incidente su FD, la tensione in uscita V.U. su R varia in grandezza.
L'alimentazione VCC può assumere valori compresi fra i 3 Vcc e i 15 Vcc.
Facendo variare la luce incidente su FD si rileveranno diverse tensioni in uscita V.U. sui terminali della resistenza R.
L'operazionale TL081
L'integrato TL 081 è dotato di compensazione interna di frequenza. Il suo schema è riportato in figura 1.

PIN
Funzione
PIN
Funzione
1
OFFSET NULL
5
OFFSET NULL
2
ENTR. INVERT
6
USCITA
3
ENTR. NON INVERT
7
+ VCC
4
VCC
8
NON COLLEGATO

Fig. 1 - Piedinatura del modello TL081
L'offset-null, che corrisponde al piedino 5, costituisce una funzione di taratura, mediante trimmer resistivo, che regola la tensione al piedino 6 (uscita) al valore di 0 V, quando il componente è alimentato con doppia tensione (pos. e negat. rispetto a massa). Si usa soltanto quando è richiesta la massima precisione di lavoro dell'integrato.
Convertitore corrente-tensione
Il comportamento del convertitore corrente-tensione ottenuto con una resistenza (vedi fig.1) ha un comportamento che viene influenzato da un eventuale carico sul quale viene applicata la tensione V.
Non si ha più la proporzionalità prevista senza il carico. Si utilizza allora i seguenti circuiti (figg. 2 , 3 ) che sono convertitori corrente-tensione ideali:
a) la tensione d’uscita non dipende dalla resistenza interna del generatore di corrente (fotodiodo);
b) non dipende da un eventuale carico posto in uscita perché il convertitore ha una R di uscita praticamente nulla;
c) la linearità di funzionamento (V proporzionale all’intensità luminosa) dell’operazionale.

Nel nostro circuito il convertitore corrente-tensione è identificabile nella seguente porzione di circuito:
Procedimento del collaudo: Misurare il valore del trimmer e successivamente montare il circuito come indicato nello schema, al termine della realizzazione alimentarlo con le tensioni indicate e collegando le masse in comune.
Fatto ciò effettuare le misurazioni ai capi dei diodi led (VDL1, VDL2) ,all’uscita dell’operazionale (V) , all’ingresso invertente del comparatore di precisione (Vo) e all’uscita dello stesso (Vu).
Quando avremo presenza di luce sul fotodiodo (FD) il diodo led DL1 sarà acceso; al contrario, oscurando il fotodiodo (FD) il diodo led DL1 si spegnerà e si accenderà il DL2.
Le misurazioni effettuate vengono riportate nelle tabelle sottostanti.
Raccolta dati: Le misurazioni sono state effettuate con il trimmer avente un valore di 570 kΩ
V (V)
Vu (V)
VDL1 (V)
VDL2 (V)
Con luce
6,70
5
1,90
0.22
Senza luce
0,217
0,217
1.86
Vo (V)
5.95
Vcc (V)
Vee (V)
Vcc’ (V)
+11.94
-12.22
+5.03

Calcoli: 1° caso
γ ~ 1.8
V > V0
IRP = IDL1 = (VCC – γDL1) / (RP + R1)
VU = γDL1 + R1 * IDL1
IDL2 = 0 A
IU = 0 A
2° caso

V < V0
VU ~ 0 V
IDL1 = 0 A
I2 = (VCC’ – γDL2) / R2
IRP = VCC / RP
IU = IRP – I2

Conclusioni: L’esperienza si e conclusa con esito positivo. L’unico problema riscontrato e stato con diodo led DL1 di colore rosso, perchè sembrava non si accendesse, così lo abbiam cambiato con un diodo led giallo.
Al termine dell’esperienza abbiamo provato a rimettere il diodo led rosso e si poteva osservare che si accendeva anche se la luce emessa era quasi impercettibile, questo può essere causato da una maggior corrente richiesta dallo stesso led.
Ora siamo in grado di realizzare un rivelatore di luminosità, di utilizzare un comparatore di precisione LM311 e di realizzare un convertitore corrente-tensione ideale utilizzando un fotodiodo e un operazionale.

Esempio



  



Come usare