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Comparatore a finestra

Il comparatore a finestra è un particolare comparatore che confronta il segnale in ingreso con due circuiti comparatori collegati come nella seguente figura. In questo caso:

- se il segnale di ingresso è compreso tra VH e VL il comparatore andrà in saturazione positiva di circa Vusat=Vcc-1V

- se invece il segnale di ingresso è fuori dalla finestra, cioè

Vi>VH e

Vi<VL

in uscita dei due comparatori avremo zero Volt.

Se guardiamo bene questo circuito con comparatore a finestra, vediamo che questo è ad alimentazione singola. Questo è molto importante, perchè così facendo stiamo escudendo i segnali con saturazione negativa. Questo non è un problema se vogliamo inserire in ingresso solo segnali positivi e maggiori di zero.

 

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Misuriamo la temperatura con il comparatore a finestra

Caso statico

Nel nostro circuito ipotizziamo adesso che il segnale di ingresso sia un segnale di temperatura, magari amplificato da un circuito con amplificatore operazionale.

Il fatto che abbiamo considerato solo l'alimentazione singola, significa che stiamo supponendo che la temperatura di ingresso sia >=0 cioè sia positiva.

In Italia abbiamo quasi sempre temperature >=0 in ogni ambiente e quindi il considerare solo temperature positive non è un problema (certo se vogliamo misurare la temperatura esterna quando siamo sulla neve, questo circuito non funzionerà!!!).

Guardiamo adesso la parte riguardante gli attuatori.

Nello schema ho ad esempio inserito due lampade in parallelo per gli attuatori, ma essi possono essere sostituite da ventole, motori, ecc. senza cambiare niente al circuito di pilotaggio.

Il circuito di pilotaggio è costituito da un amplificatore di tipo ON-OFF a BJT che amplifica la corrente di base del transistor che dà una corrente di collettrore Ic proporzionale alla Ib moltiplicato per HFE. Questo transistor è importante se vogliamo pilotare i circuiti di potenza che necessitano di grandi correnti per il loro funzionamento.

Se siamo nella finestra del comparatore sulla base del BJT arrivano circa 12 Volt che porteranno in saturazione il transistor, se invece siamo fuori dalla finestra sulla base del transistor arriveranno circa 0 volt e il transistor si porterà in interdizione.

Se il BJT è ON sul suo collettore ci sono circa 0,2 Volt e quindi la lampada X1 collegata al relè si accenderà mentre se il Bjt è OFF sul collettore del BJT ci saranno circa 12 Volt e la lampada X1 collegata al relè si spegnerà.

L'altra lampada ( nello schema X2) in parallelo al relè resterà invece sempre accesa essendo indipendente dall'apertura e chiusura del relè.

Caratteristica del comparatore a finestra non invertente

Comparatore a finestra

Caso dinamico

Con il software Multisim possiamo fare la simulazione del sensore supponendo che esso vari lentamente come una rampa crescente o decrescente.

Inviamo così in ingresso un'onda triangolare , ad esempio di 100 Hz; dimensioniamo le finestre in modo da avere sul pin del secondo amplificatore  VL=3,147 Volt (che corrisponderebbe a circa 31 gradi centigradi della temperatura) e VH con tensione di 9,8 Volt ( che corrisponderebbe ad una temperatura di circa 100°C).

La simulazione con il multisim dà i grafici seguenti.

Dal grafico dell'oscilloscopio si vede che per Vi maggiore di 3,147 Volt (cioè maggiore di VL), l'uscita del comparatore va in saturazione positiva e quindi attiva il relè che pilota gli attuatori (Lampade, ventole, motorini, eccetera). La saturazione in uscita,  permane fino a quando Vi non supera la tensione VH= 9,8 Volt .  

Nella figura qui sopra notiamo che:

-La finestra del comparatore, in saturazione positiva, dura per un tempo

T= T2-T1=3,6ms

per una frequenza del segnale di ingresso Vi pari a  100 Hz.

Pilotaggio relè con sensore di temperatura LM35

Un altro schema elettrico per pilotare un relè con un sensore di temperatura LM35 è il seguente.

In questo caso l'amplificatore operazionale LM339 è in configurazione comparatore con riferimento diverso da zero realizato attraverso un potenziometro lineare da 10K Ohm che invia all'ingresso invertente una tensione VR1 data da Vcc*R1/Rtot dove Rtot=10K Ohm e R1 ad esemio 500 OHm. 

In questo caso se VCC=5V la tensione di riferimento del comparatore è

Vref=Vcc*R1/Rtot= 5*500/10K= 0,25V

Se Vref=2,5V il nostro transistor entra in saturazione (stato ON) portanto così il relè a passare dallo statoNC (Normalmente chiuso) allo stato NO (normalmente aperto) e questo passaggio ON-OFF farà eccitare il relè  e il carico, collegato opportunamente al relè, ad esempio una lampada,  si accenderà.

La tensione Vref=2,5V corrisponde ad una temperatura del sensore 

Vo(sensore)=K*T  ove K=10mV/°C -->

T=Vo(sensore)/10mV= 0,25/10mV/°C= 25 °C