Lampeggiatore per mountain bike
I.T.I. Aldini−Valeriani (BO)
Scopo dell'esperienza.
Questo tutorial è rivolto agli studenti di elettronica (medie superiori / ingegneria) che desiderano
approfondire, anche dal punto di vista pratico, lo studio di questa complessa materia.
L'esperienza presentata, che potrebbe apparire in certi contesti banale, ha in realtà lo scopo di
presentare quello che è l'iter progettuale che porta un progettista dall'analisi di "un'idea iniziale"
alla realizzazione di un prototipo pronto per la riproduzione industriale in serie e la successiva
commercializzazione. Si cercherà di analizzare i seguenti punti:
Fase
Presentazione dell'idea
Consultazione delle normative
Analisi dei costi
Ingegnerizzazione
Stesura dello schema elettronico
Simulazione Spice
Progetto del layout
Simulazione Signals Integrity
Preparazione dei report
Campionature del circuito stampato
Stesura del sorgente HDL (FPGA)
Stesura del firmware (microcontrollore)
Stesura del software lato workstation
Montaggio del primo prototipo
Debug hardware
Debug software
Collaudo / misure
Certificazione
Messa in produzione del primo lotto
Descrizione
...un ipotetico committente ci propone lo
sviluppo di una apparecchiature finalizzata
a...
Es. ricerca componentistica elettronica
Es. scelta del contenitore
Calcoli di progetto
Verifica dei calcoli di progetto
Verifica del layout
Distinta base, stampe, plottature, ecc...
...se il dispositivo progettato prevede l'utilizzo
di
componenti
programmabili
quali:
microprocessori, microcontrollori, PLD,
FPGA.
Strumenti
Internet
Internet
Internet
CAD elettronico
CAD elettronico
CAD elettronico
CAD elettronico
CAD elettronico
Service esterno
IDE dedicata
IDE dedicata
Laboratorio
Laboratorio
IDE dedicata,
emulatore hardware,
ecc...
Laboratorio
Ente accreditato
Fabbrica
Presentazione dell'idea.
L'azienda ProBike S.p.A. vuole sviluppare un lampeggiatore per mountain bike avente le seguenti
caratteristiche:
• Pilotaggio contemporaneo di due led bianchi ad alta efficienza con periodo di circa 2[s],
• Alimentazione a batteria PP3 (9[V]),
• Nessun vincolo per quanto riguarda il contenitore,
• Costo, in produzione, del singolo pezzo (per lotti di 10000 pz.) inferiore a 1.50[€] batteria
esclusa (ciò rende possibile un'ipotetica vendita del prodotto confezionato, batteria esclusa,
a 10[€]).
Dip. Elettronica e Telecomunicazioni
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Consultazione delle normative.
Non esiste una normativa specifica relativa alla sola parte elettronica del dispositivo in oggetto.
Esistono invece dei vincoli per quanto riguarda la scelta del contenitore che dovrà essere adeguato
all'utilizzo in esterno (codice IP, vedi link: http://en.wikipedia.org/wiki/IP_Code). Le normative più
generiche che comunque vanno rispettate sono:
•
Direttiva Bassa Tensione 2006/95/CE − Recepita la 73/23/CEE − Entra in vigore 16/01/2007).
La direttiva 73/23/CEE o Direttiva Bassa Tensione (Direttiva del Nuovo Approccio per i dispositivi a bassa
tensione) riguarda i macchinari in cui sono presenti circuiti elettrici a bassa tensione.
Non si applica ai macchinari destinati ad ambienti in cui è presente il pericolo di esplosioni, per gli ambienti
radiologici e per le parti elettriche degli ascensori e montacarichi.
Il produttore deve redigere un fascicolo tecnico, effettuare un'autodichiarazione di conformità e la marcatura
CE.
È stata sostituita dalla nuova direttiva 2006/95/CE del Parlamento europeo e del Consiglio del 12 dicembre
2006, "concernente il ravvicinamento delle legislazioni degli Stati membri relative al materiale elettrico
destinato ad essere adoperato entro taluni limiti di tensione". La direttiva 2006/95/CE è entrata in vigore il
16/01/2007.
•
Direttiva EMC 2004/108/CE − Recepita la 2004/108/CE − Entra in vigore 10/11/2007).
Il termine compatibilità elettromagnetica (EMC, dall'inglese Electromagnetic Compatibility) si riferisce alla
disciplina, nell'ambito dell'ingegneria elettrica ed elettronica, che studia la generazione, la trasmissione e la
ricezione non intenzionali di energia elettromagnetica in relazione agli effetti indesiderati che queste possono
comportare, con l'obiettivo di garantire il corretto funzionamento nel medesimo ambiente dei diversi apparati
che coinvolgono fenomeni elettromagnetici nel loro funzionamento.
Nel perseguire il suo intento, la compatibilità elettromagnetica prende in considerazione diverse
problematiche: le problematiche di emissione si riferiscono alla riduzione della generazione non intenzionale
di energia elettromagnetica ed alle contromisure atte ad evitare la sua trasmissione, le problematiche di
suscettibilità (o immunità), si riferiscono invece al corretto funzionamento degli apparati elettrici ed
elettronici in presenza di disturbi elettromagnetici provenienti dall'esterno.
Quando, nell'ambito della compatibilità elettromagnetica, si prendono in considerazione disturbi
elettromagnetici che si propagano in strutture guidanti quali conduttori metallici, ci si riferisce a
problematiche di sucettibilità ed emissione condotte, quando invece ci si riferisce a disturbi propagantisi in
spazio libero, ci si riferisce a problematiche di suscettibilità ed emissione irradiata (radiata, irraggiata).
In passato le problematiche di compatibilità elettromagnetica erano lasciate alla valutazione dei singoli
produttori o regolamentate a livello nazionale. Gli sviluppi sempre più rapidi dell'elettronica e l'interscambio
commerciale sempre più intenso hanno reso necessario imporre delle normative comuni di regolamentazione.
Con la nascita dell'Unione Europea, in particolare, si è cercato di unificare la legislazione in materia. Le
normative proposte in sede comunitaria sono poi state ratificate dai parlamenti degli stati membri.
L'Italia, in particolare, ha approvato tali normative e dal 1º gennaio 1997 l'apposizione del marchio CE
comporta il rispetto di normative specifiche su queste problematiche (oltre al rispetto di altre normative
relative alla sicurezza elettrica).
Dip. Elettronica e Telecomunicazioni
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Analisi dei costi.
Dato il bassissimo costo che l'apparecchiatura dovrà avere in fase di produzione (1.50[€]) si
esclude l'utilizzo di una logica programmabile (microcontrollore (almeno 1[€]), PLD almeno 2[€]).
Si tratta di realizzare un "multivibratore astabile", ovvero un circuito la cui uscita digitale
commuta continuamente tra due livelli di tensione. Il periodo T e il duty−cycle DC% dovranno
essere opportunamente controllati.
Scelta: Il circuito integrato 555 può essere configurato come multivibratore astabile ed ha un costo
(per lotti di 10000 pz.) di circa 0.07[€], compatibile al budget imposto.
Ingegnerizzazione.
Non sono state formulate richieste particolari, non è stato concordato l'inserimento del dispositivo
in una determinata scatola.
La fase di ingegnerizzazione riguarda comunque il progetto del layout dove, una buona
disposizione dei componenti, consente un buon risultato in termini ergonomici (facilità di
montaggio, facilità di utilizzo, ecc...).
Dip. Elettronica e Telecomunicazioni
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Il circuito integrato 555 (fonte Wikipedia, autori vari, link: http://it.wikipedia.org/wiki/NE555).
Il 555 è un circuito integrato che contiene: una coppia di comparatori, un latch SR, un buffer di
uscita in grado di erogare fino a ±225[mA], un BJT configurato come interruttore.
Il 555 può essere facilmente configurato come monostabile (timer), come astabile (oscillatore ad
onda rettangolare) e come bistabile (latch) permettendo la realizzazione di numerosissime
applicazioni diverse.
Questo integrato è stato inventato e progettato da Hans R.
Camenzind nel 1970 e introdotto nel mercato nel 1971 dalla
Signetics (successivamente acquisita da Philips). Il nome originale
era SE555/NE555 e deriva dal fatto che al suo interno ci sono tre
resistori collegati in serie ciascuno del valore di 5[kΩ] che
forniscono, tramite il principio del partitore di tensione, i
potenziali di riferimento rispettivamente di 1/3 e 2/3 della tensione
di alimentazione ai comparatori interni al dispositivo.
Il circuito interno di questo integrato è formato da 23 transistors, 2 diodi e 16 resistori che
compongono oltre al già citato partitore per ottenere le tensioni di riferimento, due comparatori,
un latch e uno stadio di potenza per pilotare il carico. Il tutto viene fornito normalmente in un
contenitore plastico a 8 pin DIP, ma esistono versioni in contenitore metallico e in vari contenitori
SMD.
Esistono numerose varianti del circuito base, oltre alle varie versioni CMOS a basso consumo
esiste l'NE556 che è composto da due NE555 nello stesso contenitore (in questo caso DIP a 16 pin)
e l'NE558 che è invece formato da 4 unità con connessioni e caratteristiche leggermente diverse
dall'NE555.
Il timer 555 è uno dei più popolari e versatili integrati mai prodotti: nonostante l'età del progetto
viene ancora oggi fabbricato ed utilizzato largamente grazie alla sua semplicità d'uso, economicità
e stabilità. Ogni anno ne vengono prodotte circa un miliardo di unità.
Il 555 e i suoi derivati hanno tre modalità operative:
• Monostabile: in questa configurazione, il 555 funziona a "colpo singolo", con un singolo
impulso di trigger che manda l'uscita a +Vcc e fa caricare il condensatore C. Utilizzabile
per rilevatori di impulso, antirimbalzo per pulsanti, timers, interruttori a tocco, ecc....
• Astabile: il 555 opera come un oscillatore rettangolare. Utilizzato ad esempio in
lampeggiatori per LED o lampade a incandescenza, come generatore di impulsi, generatore
di toni, ecc....
• Bistabile: il 555 si comporta come un latch.
Dip. Elettronica e Telecomunicazioni
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Il circuito integrato 555 in configurazione multivibratore astabile.
(fonte Wikipedia, autori vari, link: http://it.wikipedia.org/wiki/NE555).
In figura è rappresentata la configurazione base del 555 come multivibratore astabile. In essa i
piedini 2 e 6 sono collegati tra di loro ed hanno quindi lo stesso potenziale del condensatore C, la
resistenza RA è collegata tra l'alimentazione e il terminale 7 mentre RB viene collegata tra il
terminale 7 e il condensatore.
Con la rete esterna così configurata, quando il circuito viene alimentato la tensione sul
condensatore (dopo una fase transitoria la cui durata dipende dallo stato iniziale di carica della
capacità C) inizia ad oscillare tra i valori ⅓Vcc e ⅔Vcc provocando la commutazione continua
dell'uscita. Si distinguono tre casi:
Transitorio iniziale:
Dipende dallo stato di carica che ha la capacità C nell'istante in cui viene alimentato il circuito.
Non ci interessa analizzare questa fase, possiamo supporre che la vC, all'istante "0" sia di 0[V.
vC (0 ) = 0[V ]
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(Equazione 1)
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Carica del condensatore:
La carica del condensatore avviene tra le soglie ⅓Vcc e ⅔Vcc attraverso la resistenza equivalente:
RA+RB (transistor interdetto). In questa fase l'uscita rimane alta (~Vcc). Per il calcolo rammento
che:
Fase
Punto di partenza
Tensione di arrivo (gradino di tensione)
Soglia di commutazione
Tensione assoluta [V]
⅓Vcc
Vcc
⅔Vcc
Costante di tempo di carica: τC
(RA+RB)·C
Tensione relativa [V]
0
⅔Vcc
⅓Vcc
In formule:
t
− H
1
2
Vcc = Vcc ⋅ e τ C
3
3
(Equazione 2)
t H = ln(2 ) ⋅ τ C (Equazione 3)
Scarica del condensatore:
La scarica del condensatore avviene tra le soglie ⅔Vcc e ⅓Vcc attraverso la sola resistenza RB
(transistor saturo). In questa fase l'uscita rimane alta (~0[V]). Per il calcolo rammento che:
Fase
Punto di partenza
Tensione di arrivo (gradino di tensione)
Soglia di commutazione
Tensione assoluta [V]
⅔Vcc
0
⅓Vcc
Costante di tempo di scarica: τS
RB·C
Tensione relativa [V]
0
−⅔Vcc
−⅓Vcc
In formule:
tL
−
1
2
− Vcc = − Vcc ⋅ e τ S
3
3
(Equazione 4)
t L = ln (2 ) ⋅τ S (Equazione 5)
Quadro riassuntivo: Risulta evidente che:
t H ≥ t L (Equazione 6)
T=
1
= t H + t L = ln (2 ) ⋅ C ⋅ (RA + 2 ⋅ RB )
f
DC % =
TH
RA + RB
=
⋅100 ≥ 50%
T
R A + 2 ⋅ RB
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(Equazione 7)
(Equazione 8)
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Stesura dello schema elettronico.
Per risparmiare energia e prolungare la vita operativa della batteria, si sceglie un rapporto led
acceso / led spento molto basso. Dovendo rispettare l'equazione 6, si decide di collegare i due led
in sink e non in source. In questo modo il rapporto acceso / spento implica la scelta di un duty cycle
elevato (prossimo al 100%).
Si decide di imporre al multivibratore astabile i seguenti parametri di funzionamento:
•
•
tH ~ 1.70[s],
tL ~ 0.15[s].
Risolvendo le equazioni precedenti si determina:
Componente
C
RA
RB
Valore
22 [µF]
100 [kΩ]
10 [kΩ]
Tolleranza
20%
5%
5%
Altri parametri
PTH, 16 [V], elettrolitico alluminio, verticale, 5x11mm, passo 2.54mm
PTH, ¼[W]
PTH, ¼[W]
Spice history (fonte Wikipedia, autori vari, link: http://en.wikipedia.org/wiki/SPICE).
SPICE was developed at the Electronics Research Laboratory of
the University of California, Berkeley by Laurence Nagel with
direction from his research advisor, Prof. Donald Pederson.
SPICE1 was largely a derivative of the CANCER program, which
Nagel had worked on under Prof. Ronald Rohrer. CANCER was an
acronym for "Computer Analysis of Nonlinear Circuits, Excluding
Radiation," a hint to Berkeley's liberalism of 1960s: at these times
many circuit simulators were developed under the United States
Department of Defense contracts that required the capability to
evaluate the radiation hardness of a circuit. When Nagel's original
advisor, Prof. Rohrer, left Berkeley, Prof. Pederson became his
advisor. Pederson insisted that CANCER, a proprietary program,
be rewritten enough that restrictions could be removed and the
program could be put in the public domain.
Consiglio la lettura completa di tale articolo...
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Simulazione Spice.
Tramite il CAD elettronico Altium Designer Winter 09 disegnamo lo schema elettronico del sistema
e richiediamo l'analisi Transient / Fourier.
Figura 1 − Schema elettronico finalizzato alla simulazione con Spice.
Figura 2 − Risultato della simulazione nel dominio del tempo.
Il simulatore conferma, attraverso l'utilizzo dei marcatori, i dati di progetto ipotizzati:
•
•
•
•
Vout è di tipo binario e varia tra 0[V] e Vcc (9[V]),
La VC varia tra le soglie: ⅓Vcc (3[V]) e ⅔Vcc (6[V]),
TL (led acceso) = 0.16[s],
TH (led spento) = 1.60[s].
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Progetto del layout.
Lo schema elettronico finalizzato al layout prevede, al posto del generatore di tensione da 9[V],
l'impiego di un morsetto bipolare (due pads) al quale verrà saldato il portabatteria PP3.
Figura 3 − Schema elettronico finalizzato al progetto del layout.
Figura 4 − Layout (Bottom Layer).
Figura 5 − Layout (Top Silkscreen).
Il progetto del layout è stato eseguito con Altium Designer Winter 09, la conoscenza, anche di base,
delle regole da applicare nel progetto del circuito stampato esula dallo scopo del presente tutorial.
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Figura 6 − Renderizzazione 3D del prodotto finito.
Montaggio.
Il montaggio del prototipo consiste nel saldare i componenti al circuito stampato a partire da quelli
più bassi (resistenze, circuito integrato, condensatori, clip batteria, diodi) rispettandone la giusta
polarità.
La tecnica di montaggio verrà esposta durante l'esercitazione pratica.
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Collaudo − misure.
Per collaudare il circuito progettato verrà utilizzato un multimetro digitale e un oscilloscopio a
memoria. Si propongono le seguenti misure:
Multimetro:
Grandezza
Valore Teorico
Valore fornito dal simulatore
Valore misurato
Vcc
VγD3
VγD1
Icc
Compilare la tabella notando che con il multimetro alcuni valori letti risultano "instabili", spiegare
il perchè.
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Oscilloscopio:
Grandezza
Valore Teorico
Valore fornito dal simulatore
Valore misurato
VC
VOUT
Icc
Compilare la tabella disegnando a mano libera i grafici (nel dominio del tempo) delle grandezze
fisiche indicate.
Impostare il calcolo del valore medio della grandezza Icc.
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