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USO DEGLI AMPLIFICATORI OPERAZIONALI

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TOMMY's
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USO DEGLI AMPLIFICATORI OPERAZIONALI

Messaggio Da TOMMY's il Lun Ago 18, 2008 5:41 pm

Come già si è detto nella pagina ad essi dedicata, gli amplificatori
operazionali possono essere utilizzati in moltissime circostanze
diverse. Quelle che vengono descritte di seguito a titolo di esempio,
sono quindi soltanto alcune delle applicazioni possibili, scelte tra
quelle di più semplice realizzazione.


figura 1 - amplificatore operazionale µA741; piedini visti da sotto

Negli esempi che vedremo, faremo uso di un operazionale tipo µA741; i
piedini, per il tipo in involucro metallico tondo, sono disposti come
indicato in figura 1 (in corrispondenza della linguetta metallica si
trova il piedino 8, poi, in senso orario, l'1, il 2, il 3 ecc.)

Oscillatore a onda quadra: con l'amplificatore operazionale è
facile realizzare un multivibratore che produce in uscita un'onda
quadra perfettamente simmetrica.

figura 2 - multivibratore
Uno
dei vantaggi di tale oscillatore è, per esempio, che si possono
ottenere basse frequenze di oscillazione senza ricorrere a capacità di
valore troppo elavato: il circuito illustrato in figura 2, con i valori
indicati, oscilla a circa 100 hz. Lavorando con gli amplificatori
operazionali, come del resto con qualsiasi circuito integrato, occorre
ricordare che vanno sempre collegati anche i due piedini di
alimentazione; in questo caso, trattandosi del µA741, i piedini sono il
7, che va al positivo, e il 4, che va al negativo.

Semplice termostato:


Con gli operazionali si può fare di tutto,
ma le applicazioni più interessanti sono forse quelle che sfruttano la
loro capacità di amplificare enormemente la differenza di tensione
presente sugli ingressi. Diventa in tal modo semplice realizzare un
circuito che, sensibile anche alle più piccole variazioni rilevate da
un sensore, piloti di conseguenza un relè o qualsiasi altro
utilizzatore.
figura 3 - un semplice termostato

Supponiamo di voler realizzare un termostato, usando come sensore di temperatura una resistenza NTC
(NTC
deriva dall'inglese Negative Temperature Coefficient, ovvero resistenze
a coefficiente di temperatura negativo; tali resistenze sono
particolarmente sensibili alle variazioni di temperatura, ma,
contrariamente alle resistenze comuni, con l'aumentare della
temperatura il loro valore diminuisce).
Il circuito potrebbe essere simile a quello di figura 6. La resistenza
NTC forma con la resistenza R1 un partitore di tensione, il cui punto
centrale è collegato al piedino 3 dell'operazionale. Le due resistenze,
cioè la NTC e la R1, devono avere più o meno lo stesso valore: per
esempio 4,7 kohm. Il piedino 2 dell'operazionale è collegato ad una
resistenza variabile, RV, del valore di circa 10 kohm, che permette di
regolare il punto d'intervento, cioè di stabilire a quale temperatura
deve scattare il relè. Naturelmente il relè scatta (e chiude i contatti
esterni C1-C2) quando il transistor TR1 va in conduzione; perchè TR1
vada in conduzione, l'uscita dell'amplificatore operazionale (piedino
6) deve passare a livello alto, facendo così giungere, attraverso R2,
una tensione adeguata sulla base di TR1. Come funziona il circuito?
Prima di tutto occorre regolare RV per portare la tensione sul piedino
2 ad un valore più alto di quella presente sul piedino 3; in tal modo
il relè sarà a riposo. Se la temperatura scende, la NTC aumenta il suo
valore, per cui sale anche la tensione ai suoi capi; quando tale
tensione arriva a superare la tensione sul piedino 2, l'uscita
dell'operazionale commuta a livello alto, e fa scattare il relè.
figura 4 - come ottenere una migliore regolazione del punto di intervento

Naturalmente, se con RV regoliamo più in alto il valore della tensione
sul piedino 2, sarà necessaria una temperatura più bassa pechè la
tensione ai capi della resistenza NTC sia in grado di far commutare
l'operazionale; in questo modo otterremo che il termostato intervenga
con una temperatura più bassa. Desiderando il risultato opposto, basta
regolare la RV in senso contrario.
Il circuito può essere alimentato a 12 V; di conseguenza, il relè dovrà
avere una bobina adatta a tale tensione. Il transistor TR1 può essere
un qualsiasi transistor NPN di media potenza (BC142 - BC441 - BCP54 -
BCX54 - BD135 ecc.). La resistenza R2 è da 27 kohm. Il diodo D1 (tipo
1N4001 o equivalenti) serve a proteggere il circuito dalle
sovratensioni causate dalla bobina del relè.
Se la regolazione di RV risulta troppo brusca, si può modificare il
circuito come in figura 7: invece della sola resistenza di regolazione,
si usa una RV da 4,7 kohm e si montano, ai suoi lati, due resistenza
fisse, RA ed RB, sempre dello stesso valore di 4,7 kohm; così facendo,
si otterrà una regolazione più dolce e graduale.
Naturalmente, per un funzionamento efficace, la resistenza NTC deve
essere collocata nel posto giusto, usando dei fili di lunghezza
opportuna. Supponendo di aver montato il nostro circuito in una
scatola, se si desidera regolare la temperatura ambiente, la NTC deve
essere montata vicino ad una grigliatura, in modo che possa essere
investita dall'aria dell'ambiente. Se invece si vuole regolare la
temperatura di una superficie, la NTC deve essere montata a contatto
della superficie stessa.
I contatti del relè serviranno per comandare il dispositivo che deve
generare calore; per esempio, faranno accendere e spegnere una
resistenza elettrica da stufa, oppure metteranno in moto l'impianto di
riscaldamento domestico.
Dopo un pò di tentativi, si riuscirà a regolare il circuito
correttamente; volendo, si potrà montare sull'asse della resistenza
variabile una scala graduata che indica direttamente la temperatura in
gradi.

Strumento di misura: sempre sfruttando le caratteristiche
differenziali degli amplificatori operazionali, e quindi la loro
capacità di confrontare due tensioni in ingresso, è possibile
realizzare un circuito in grado di misurare tensioni, correnti o
resistenze. Nel circuito di figura 5, la tensione che si vuol misurare
viene applicata al piedino 2, attraverso il partitore formato dalle
resistenze R8, R9, R7; tale tensione viene confrontata con quella che
risulta applicata al piedino 3, prelevata tramite il potenziometro R5.


figura 5 - strumento di misura
Per
poter usare un simile circuito occorre prima procedere ad una apposita
taratura, servendosi per esempio di un altro tester. Sull'albero del
potenziometro va applicata una manopola dotata di indice, che ruoterà
sopra la scala che noi tracceremo. Applichiamo la prima tensione (per
esempio 2 V); ruotiamo il potenziometro R5 fino al punto di
commutazione, ovvero il punto in cui il led che era acceso si spegne e
l'altro si accende.
figura 6 - la scala gaduata tracciata tramite taratura
Trovato tale punto, tracceremo un segno in corrispondenza dell'indice
della manopola, e ci scriveremo 2. Procederemo poi con tensioni
successive, per esempio 4, 6, 8, 10 e 12 V, ed ogni volta, trovato il
punto di commutazione, vi tracceremo un segno con scritto vicino il
valore corrispondente. Finita la taratura, il nostro strumento sarà in
grado di funzionare da solo. Applicgeremo in ingresso la tensione da
misurare e ruoteremo il potenziometro: trovato il punto di
commutazione, leggeremo il valore corrispondente.
I tre diodi D1, D2 e D3, servono a determinare una tensione
stabilizzata, che risulta presente ai capi del potenziometro R5; per
limitare la deriva termica ed ottenere quindi una tensione più stabile,
occorre usare due diodi al silicio tipo 1N4154 per D1 e D2, e un diodo
al germanio, tipo AA143, per D3.
Le resistenze in ingresso, R9 ed R7, sono collegate in parallelo per
determinare, con il loro valore, la giusta caduta di tensione
necessaria per il partitore di ingresso; sarebbe stato possibile
utilizzare una resistenza unica da 294 Kohm, ma il suo valore sarebbe
risultato di difficile reperibilità.


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