USO DEGLI AMPLIFICATORI OPERAZIONALI


figura 1 - amplificatore operazionale µA741; piedini visti da sotto
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.
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.)

figura 2 - multivibratore
Oscillatore a onda quadra: con l'amplificatore operazionale è facile realizzare un multivibratore che produce in uscita un'onda quadra perfettamente simmetrica. 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.

figura 3
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. 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 3. 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. 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 4: 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.

figura 4 - come ottenere una migliore regolazione del punto di intervento

figura 5 - strumento di misura


figura 6 - la scala gaduata tracciata tramite taratura
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.
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. 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. Alla fine otterremo una scala graduata come si vede in figura 6.
Finita la taratura, il nostro strumento sarà in grado di funzionare da solo. Applicheremo 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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