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Sensore di gas


Schema del sensore di gas

In questo articolo viene presentato un sensore di gas metano che si occupa di accendere una spia luminosa quando la concentrazione di tale sostanza è al di sopra del limite di sicurezza. La concentrazione di metano sufficiente per provocare un'esplosione è di 50 ppm (parti per milione); come soglia per il sensore è stato scelto il 20% di tale valore, ovvero 10ppm. Il circuito, mostrato nella figura soprastante, può essere diviso in tre blocchi:
  1. Sensore e ponte di Wheastone: si occupano di convertire la concentrazione di metano in un segnale elettrico.
  2. Comparatore di soglia: si occupa di confrontare la tensione del sensore con la tensione di soglia per decidere quando attivare la spia luminosa.
  3. Transistor: si occupa di aumentare la massima corrente erogabile dal comparatore di soglia per pilotare il led di segnalazione.
Di seguito sono presentate tutte le fasi seguite nel progetto del circuito. Il circuito è stato costruito e collaudato correttamente.

Attenzione!

Il progetto di questo circuito è riportato a puro scopo informativo e didattico. Non mi assumo nessuna responsabilità per danni a persone o cose causate da errori in fase di progetto o funzionamento. Usate questo circuito a vostro rischio e pericolo!

Datasheet
Di seguito sono riportati i datasheet dei componenti utilizzati in questo circuito:
  1. NAP-11AS - Sensore di gas.
  2. 2N2222 - Transistor per usi generali.
  3. LM311 - Comparatore di soglia

Il sensore di gas
Il sensore di gas, l'integrato NAP-11AS, contiene una resistenza che varia in funzione della presenza di gas nell'aria, secondo la legge mostrata nella figura seguente:

Il sensore NAP-11AS       Caratteristica del sensore NAP-11AS
Il sensore e l'andamento della sua resistenza in funzione della concentrazione di gas nell'aria.


Per motivi tecnologici i valori assoluti di resistenza del sensore sono variabili, e di conseguenza la caratteristica del sensore è espressa in rapporto alla resistenza in presenza di sola aria. Per raggiungere una buona precisione, tale valore deve essere misurato su ogni sensore; nel caso del circuito realizzato si ha R2 aria = 7.5 KOhm. La resistenza scende all'aumentare della concentrazione di gas nell'aria, e può essere calcolata tramite il grafico. In presenza di 10 ppm di metano (C2H5OH) vale:

R_{gas} = 0.07*7500 = 525 Omega

Per poter funzionare il sensore necessita di essere riscaldato; tale funzione è svolta da una resistenza da 250 Ohm inserita nel sensore stesso, che deve essere alimentata, come indicato dal datasheet, a 5 volt. Per semplicità, la tensione di 5 Volt viene utilizzata per tutto il circuito.

Il ponte di Wheastone
Il ponte di Wheastone permette di trasformare la variazione della resistenza R2 nella variazione di tensione VAB, che viene posta in ingresso al comparatore di soglia. Il sensore è inserito al posto di una delle resistenze del ponte, mentre tutte le altre hanno il valore dell resistenza del sensore quando la concentrazione di gas raggiunge la soglia, ovvero R2 gas=525 Ohm. La tensione VAB sarà:

V_{AB}=V_{alim}~{R_2}/{R_1+R_2}-V_{alim}~{R_3}/{R_3+R_4}

In questo modo si possono verificare tre condizioni:
  1. Concentrazione sotto soglia: VAB è maggiore di zero, ovvero VA > VB
  2. Concentrazione pari alla soglia: VAB è zero, ovvero ovvero VA = VB
  3. Concentrazione sopra soglia: VAB è minore di zero, ovvero VA < VB.
Il comparatore di soglia deve essere quindi impostato per accendere il led quando VAB passa per lo zero e diventa poi negativa.

Il ramo di uscita
La corrente fornita dal compratatore LM311 potrebbe non essere sufficiente per alimentare l'elemento che avvisa l'utente (in questo caso è un led, ma potrebbe essere ad esempio un cicalino acustico, o un relè). Per questo si è scelto di utilizzare in uscita al comparatore di soglia un transistor, che permette di aumentare la massima corrente erogabile dal circuito e che sarà utilizzato in saturazione o interdizione.
Supponendo che VCE sia circa nulla e che il led si accenda quando Iled=10 mA e Vled = 1.5 V, possiamo calcolare la resistenza R8 tramite una semplice legge delle maglie:

V_{alim} - I_{led}R_8 - V_D = 0 ~right~ R_8 = {V_{alim} - V_{led}}/{I_{led}} = 350 Omega


L'uscita open collector
Uscita open collector


L'uscita dell'integrato LM311 è di tipo open collector. Ciò significa che tale uscita è costituita dal collettore di un transistor NPN, come mostrato in figura. Il transistor può trovarsi in due stati:
  1. Conduzione: l'uscita dell'integrato è collegata direttamente a massa, e la tensione sarà zero.
  2. Interdizione: è come se l'uscita dell'integrato non fosse collegata a nulla (talvolta viene detta flottante).
Ciò significa che l'integrato può imporre correttamente una tensione bassa, ma non una tensione alta. E' necessario quindi collegare l'uscita del transistor a una resistenza, detta di pull up, che a sua volta è collegata alla tensione di alimentazione Valim, in modo che quando il transistor è in interdizione l'uscita dell'integrato sia alta.
Da un lato Rpu deve essere piccola, in modo da far passare una corrente relativamente elevata; la corrente che scorre attraverso Rpu è infatti quella che l'operazionale fornisce quando il transistor di uscita è in interdizione, cioè quando l'uscita si trova in stato alto. Dall'altro lato Rpu deve essere grande, in modo da limitare la corrente che scorre nel transistor quando questo è in conduzione, cioè quando l'uscita dell'integrato è in stato basso. Una corrente accettabile per il transistor in stato di conduzione è ad esempio IC = 10 mA, da cui si ottiene:

R_{pu} = {V_{alim}}/{I_c} = 500 Omega approx 560 Omega (serie E12)

NOTA: Nel calcolo di Rpu non si tiene conto di R5, R3 e R4; infatti la resistenza equivalente di questo ramo è:

R_{eq} = R_5 + R_3 backslash backslash R_4

Come si vedrà, tali resistenze sono molto alte rispetto a Rpu, e quindi la corrente che vi scorre è trascurabile. Anche la corrente attraverso R7 è trascurabile, dato che è la corrente di base del transistor 2N2222.

Dimensionamento di R7
A seconda dello stato del transistor di uscita dell'operazionale, la base del transistor 2N2222 si può trovare in due condizioni:
  1. Transistor dell'LM311 in conduzione: la base del 2N2222 viene collegata, attraverso R7, a terra. Il 2N2222 non conduce.
  2. Transistor dell'LM311 in interdizione: la base del 2N2222 è collegata a Valim. Il 2N2222 conduce, il led si accende.
Per dimensionare R7 possiamo ricordare che IC = 10mA, e per il transistor 2N2222 vale VBE = 0.7 V e hfe = 35; facendo un piccolo sistema formato da una KVL nella maglia di ingresso del transistor e dalla legge del transistor otteniamo:

delim{lbrace}{ matrix{2}{1}{ {V_{alim}-V_{Rpu}-V_{R7}-V_{be}=0} {I_c=beta~I_b}}}{-}~right~R_b = {V_{alim}-1/beta I_c R_{pu} - V_{be}}/{1/beta I_c} approx 18K Omega


NOTA: anche in questo caso il ramo contenente R5 è trascurabile, per gli stessi motivi citati nel paragrafo precedente.

Dimensionamento del comparatore
Il comparatore
Il comparatore di soglia è un Triger di Schmitt, la cui isteresi permette di evitare che il led continui a accendesi e spegnersi quando la concentrazione di gas è pari alla soglia. Per dimensionare R5 è utile ricondurre il circuito alla sua configurazione standard. Calcolando l'equivalente di Thevenin ai capi C e D otteniamo il circuito mostrato a destra nella figura, dove:

R_{eq} = R_{3} backslash backslash R_4 = R_3 / 2 ~ ~ ~ ~ V_{eq}=V_{cc}~{R_4}/{R_3+R_4} = V_{cc}/2

Il circuito è ora uguale alla forma classica del Trigger di Schmitt, le cui tensioni di soglia sono:

V_{SH} = V_{OH}~{R_{eq}}/{R_{eq}+R_5} + V_{eq}~{R_{5}}/{R_{eq}+R_5}



V_{SL} = V_{OL}~{R_{eq}}/{R_{eq}+R_5} + V_{eq}~{R_{5}}/{R_{eq}+R_5}

Imponendo un intervallo di isteresi opportuno, ad esempio Vist = 10 mV, si può determinare R5:

V_{ist} = V_{SH} - V_{SL} = (V_{OH} - V_{OL}) {R_{eq}}/{R_{eq}+R_5}



0.01 = (5-0)~{560 / 2}/{560/2+R_5}~~right ~~ R_5 = 139 K Omega approx 150 K Omega

I valori assoluti di tensione saranno quindi:

V_{OL} = ~5~ {560/2}/{560/2+150*10^3} + ~5/2 {150*10^3}/{150*10^3+560} = 2.50 V



V_{OL} = ~0~ {560/2}/{560/2+150*10^3} + ~5/2 {150*10^3}/{150*10^3+560} = 2.49 V

Tali soglie concordano con quelle calcolate in precedenza per il ponte di Wheastone. Infatti quando la concentrazione di gas nell'aria è pari al valore limite, la tensione nel punto A del ponte (cioè la tensione sull'ingresso invertente del comparatore) coincide con il valore di soglia VOL:

V_A = ~5~ {560}/{560+560}= 2.5 V

Realizzazione del circuito
Una possibile realizzazione del circuito.
Non è rappresentato sulla scheda il sensore di gas






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Commenti

1 - AnonimoMar 21 Ott 2014 - 21:06:29  

Metano formula CH4
C2H5OH = alcole etilico o etanolo....
vanzi


2 - AnonimoLun 10 Feb 2014 - 08:56:15  

bravi


3 - FrancescoMer 05 Dic 2012 - 20:39:13  

Hai sbagliato il transistor, DEVE essere un PNP, altrimenti il circuito non funziona.

Bravo per l'impegno. :)

Saluti

Francesco


4 - AnonimoMar 10 Gen 2012 - 19:04:04  

bravo figliolo, sono orgoglioso di te, ti voglio bene.Papà.


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