Il trigger di Schmitt è un comparatore con isteresi che ha tensione di riferimento diversa da zero; per ottenere ciò si aggiunge in serie al resistore R1 un generatore di tensione, secondo lo schema seguente:
In tale schema notiamo il generatore V in serie al partitore costituito da R1 ed R1, con lo scopo di generare sul morsetto invertente la tensione di riferimento, che calcoliamo nel seguente modo. Quando la tensione in uscita Vu assume il valore zero, cioè Vu = 0 , e quindi è come se l'uscita fosse collegata a massa, sul punto A è presente una tensione che coincide con la tensione ai capi di R2, cioè
VA = V R2
R1 + R2
Di conseguenza la tensione di riferimento a livello alto, cioè VRA sarà:
VRA = VA + Vu R1
R1 + R2
Invece, la tensione di riferimento a livello basso VRB sarà:
VRB = VA - Vu R1
R1 + R2
La caratteristica di trasferimento del trigger di Schmitt sarà la seguente:
Il sistema di controllo è un insieme di circuiti elettronici ed elettrici in grado di tenere sotto controllo una determinata grandezza fisica, come la temperatura, la pressione, uno spostamento. In pratica si fissa un certo andamento che la grandezza deve avere nel tempo e si realizzano i circuiti in modo che tale andamento avvenga nel tempo come previsto. Lo schema a blocchi di un generico sistema di controllo può essere il seguente:
In tale schema notiamo il trasduttore, che ha il compito di trasformare la grandezza fisica in una tensione o in una corrente elettrica. Sono trasduttori: il termostato e il termistore, che variano la propria resistenza al variare della temperatura; la dinamo tachimetrica, che dà una tensione variabile con la velocità dell'asse di rotazione. Il comparatore, che ha il compito di confrontare la tensione di uscita dal trasduttore VT con la tensione di riferimento VR. La tensione VR rappresenta quello che deve essere l'andamento della grandezza fisica al variare del tempo; in pratica quando si vuole che la grandezza fisica aumenti, si aumenta il valore di VR e viceversa. In uscita dal comparatore di tensione avremo una tensione positiva o nulla. Cioè, se in un dato istante la grandezza fisica ha il valore previsto da VR, il trasduttore mi dà in uscita una VT = VR, e quindi il comparatore mi dà in uscita tensione nulla, e quindi l'attuatore non verrà alimentato; se invece la grandezza fisica in un dato istante è inferiore a quella prevista da VR, si avrà una VT inferiore a VR e quindi il comparatore mi darà in uscita una tensione positiva, in modo da alimentare l'attuatore. L'attuatore è un dispositivo che trasforma la corrente elettrica in grandezza fisica. Sono attuatori: resistenze di riscaldamento, motori elettrici, ecc.
SISTEMA DI CONTROLLO DELLA TEMPERATURA
Si dice sistema di controllo della temperatura un circuito in grado di mantenere alla temperatura stabilita un determinato ambiente, che può essere un forno elettrico o una stanza. Un circuito semplice può essere il seguente:
Nel circuito notiamo che il PTC è un componente che varia la sua resistenza al variare della temperatura; di conseguenza mettendo il PTC nel forno esso rileva la temperatura del forno; se la temperatura del forno aumenta, si avrà un aumento della resistenza del PTC; se invece la temperatura del forno diminuisce, si ha una diminuzione della resistenza del PTC. Poiché il PTC è inserito in serie al resistore R1, che è di valore fisso, in modo da formare un partitore di tensione, quando aumenta la resistenza del PTC, si ha anche un aumento di tensione ai capi del PTC, e quindi anche al morsetto invertente del comparatore; quando invece diminuisce la resistenza del PTC si ha una diminuzione della tensione ai capi del morsetto invertente. Per generare la tensione di riferimento utilizziamo un resistore e un diodo Zener, polarizzato inversamente. Quindi, R2 ha il compito di polarizzare il diodo DZ, il quale mantiene costante la sua tensione, che viene applicata in ingresso al morsetto non invertente del comparatore di tensione. Il comparatore confronta le due tensioni di ingresso; se le due tensioni sono uguali l'uscita del comparatore sarà Vu = 0, e quindi la base del transistor ha tensione nulla, cioè VB = 0; e quindi il transistor non conduce; se invece la temperatura è inferiore al valore stabilito, la tensione sul morsetto invertente sarà inferiore a quella del diodo DZ, e il comparatore mi dà in uscita una tensione positiva, polarizzando direttamente la base del transistor T che va in saturazione. Il resistore RC rappresenta una resistenza di riscaldamento del forno; in pratica maggiore è la corrente di RC maggiore sarà il suo riscaldamento. Però la corrente del resistore RC coincide con la corrente di collettore del transistor IC; in definitiva il transistor regola la corrente di riscaldamento del resistore RC .
Si dice oscillatore un circuito in grado di generare una forma d'onda qualsiasi, senza alcun segnale applicato in ingresso.La forma d'onda generata ha una certa ampiezza VM, che si misura in Volt, una certa frequenza f, che si misura in Hertz, e un certo periodo T, che si misura in secondi. Ricordiamo che tra frequenza e periodo esiste la seguente relazione:
f = 1
T
Cioè la frequenza è l'inverso del periodo.Può essere utile il seguente diagramma:
Un generatore si dice sinusoidale se genera una forma d'onda di tipo sinusoidale, come il diagramma superiore.
Un generatore si dice triangolare se genera una forma d'onda di tipo triangolare, come il seguente:
Un generatore si dice d'onda quadra se genera una forma d'onda quadra o rettangolare come il seguente:
Un oscillatore si dice a frequenza audio se genera una forma d'onda udibile dall'orecchio umano, e cioè fino ad una frequenza f = 20 kHz. Un oscillatore si rice a radio frequenza se genera frequenze superiori a 20 kHz.
GENERATORE D'ONDA QUADRA E TRIANGOLARE
Vediamo ora un circuito in grado di generare una forma d'onda di tipo rettangolare, come il seguente:
Fondamentale in tutti gli oscillatori è la presenza di un amplificatore di tensione e di una reazione positiva, cioè occorrono uno o più componenti che prendono parte del segnale di uscita e lo riportino in ingresso ad un amplificatore però in fase, in modo che il segnale, anche se pur piccolo venga amplificato e lo si ritrovi in uscita con ampiezza sempre maggiore, si dice così che l'amplificatore oscilla, cioè genera una oscillazione. Nel nostro caso l'amplificatore è di tipo con operazionale e funziona da comparatore con isteresi. Infatti i resistori R1 ed R2 costituiscono un partitore di tensione. Supponiamo che i due resistori siano uguali, cioè R1 = R2; quando l'amplificatore va in saturazione si ha che vu = VCC e quindi la tensione di riferimento a livello alto sarà:
VRA= VCC R1 = VCC R1 = VCC
R1+ R2 2R1 2
Inizialmente supponendo il condensatore C scarico si ha che vc<VRA e quindi il comparatore va in saturazione positiva, vu=Vcc, ed il condensatore inizia a caricarsi attraverso il resistore R. La tensione sul condensatore sarà data dalla seguente formula:
t
vC = vu ( 1 - e - RC )
dove t è l'istante di tempo considerato, misurato in secondi, e è il numero di Nepero, e = 2,718; R è la resistenza misurata in Ohm, e C è il valore della capacità del condensatore, misurata in Farad.
Quando il condensatore raggiunge una tensione pari a VRA, il comparatore commuta, perché la tensione sul morsetto invertente è maggiore di quella sul morsetto non invertente, cioè vc>VRA, l'uscita va subito in saturazione negativa, cioè vu=-Vcc; il condensatore C è costretto prima a scaricarsi e poi inizia a ricaricarsi, essendo sottoposto, tramite R ad una tensione uguale a -Vcc; intanto, essendo vu negativa, la tensione di riferimento del comparatore si è portata a livello basso, cioè
VRB = - Vcc
2
Al passare del tempo la tensione del condensatore cresce in valore negativo, sino a raggiungere il valore - VRB, cioè la tensione di riferimento a livello basso; superato tale valore in senso negativo, si ha che la tensione sul morsetto invertente è maggiore, sempre negativamente di quella di VRB , e quindi il comparatore ritorna in saturazione positiva, cioè vu = +Vcc ed il condensatore è costretto prima a scaricarsi e poi a caricarsi con tensione positiva. Il ciclo si ripete all'infinito. Di conseguenza le tensioni disponibili sono sia quella del condensatore vC che quella di uscita vu, secondo i seguenti diagrammi:
Il periodo T lo possiamo calcolare con la seguente formula:
T = 2,2 RC
Mentre la frequenza f sarà:
f = 1 = 1
T 2,2 RC
In definitiva da questo oscillatore possiamo prelevare una forma d'onda di tipo rettangolare, in quanto la tensione ai capi del condensatore non è perfettamente triangolare. Volendo anche una tensione triangolare possiamo ricorrere al seguente circuito:
In questo circuito notiamo una prima parte, a sinistra, costituita da un circuito integratore che ricevendo in ingresso un'onda quadra dà in uscita un'onda di tipo triangolare, mentre la seconda parte del circuito è un comparatore, che riceve in ingresso una forma d'onda triangolare e dà in uscita una forma d'onda quadra, che viene applicata in ingresso al circuito integratore.
Vediamo più in dettaglio il funzionamento del circuito. Supponiamo che inizialmente l'uscita del comparatore si trovi in saturazione negativa, cioè vu2=-Vcc, la tensione di riferimento a livello basso del comparatore sarà
VRB = vu2 R1
R1+R2
Poiché però l'integratore sta ricevendo in ingresso una tensione negativa vu2=-Vcc, genera in uscita una rampa crescente con tensione vu1. La tensione della rampa si somma perciò con la tensione di riferimento VRB. Di conseguenza la tensione applicata sul morsetto non invertente sarà:
v+ = vu1 - VRB
Quando le due tensioni saranno uguali e contrarie, il comparatore commuta, e va in saturazione positiva, cioè vu2 = +Vcc, tale tensione vu2 viene applicata in ingresso all'integratore, che dà in uscita una rampa negativa. Di conseguenza la tensione applicata al morsetto non invertente sarà:
v+ = - vu1 + VRA
Dove VRA è:
VRA = vu2 R1
R1+ R2
I diagrammi sono i seguenti:
Il periodo si può calcolare con la seguente formula:
T = 4 R C R1
R2
Se facciamo in modo che R2 = 4R1 il periodo diventa:
T = RC