Esercitazione di laboratorio 4 Generatore di onda quadra e controllo

ELECTRONICS SYSTEMS
LAB EXERCISE - 4
Esercitazione di laboratorio 4
Generatore di onda quadra e controllo a parzializzazione
Scopo dell’esercitazione
Scopo di questa esercitazione è verificare il comportamento di un generatore di onda quadra
con variazione del duty cycle, e utilizzarlo per regolare la corrente in un carico con la tecniche
della parzializzazione.
Strumenti e componenti richiesti
•
•
•
•
•
Alimentatore 5V e 12V (almeno 0,5 A sul 12V)
Basetta per il montaggio del generatore di onda quadra e relativi componenti
Carico da pilotare (lampada 12 V 20/5 W)
Transistore (MOS o BJT: TIP31) di comando
Multimetro e oscilloscopio per le misure
I circuiti richiesti devono essere predisposti sulle basette per montaggi senza saldature.
Avvertenze
Se l’elemento di controllo (transistore) non è pilotato in modo corretto, può dissipare potenza e
quindi scaldare fino a danneggiarsi, o comunque raggiungere temperature tali da provocare
scottature.
Nei circuiti CMOS tutti gli ingressi devono essere collegati a un livello logico corretto.
Specifiche
Frequenza del generatore di onda quadra: 1000 Hz circa (per variazione di luminosità continua),
20 Hz circa per visualizzare il ciclo ON/OFF.
Campo di variazione del duty cycle: dal 10% al 90%.
Carico da comandare: lampadina 12V 5/21W (luci posteriori di autoveicolo - corrente nominale
0,4/1,75 A; viene usato solo il filamento a bassa potenza)
Materiale d’appoggio
Indicazioni sul progetto del generatore di onda quadra e sul comando di transistori in
commutazione sono nei documenti (reperibili sul sito web)
Frequenza del generatore di onda quadra: 1000 Hz circa (per variazione di luminosità
Page 1 of 4
ElnSysLab09R4e - © DDC, GG, FM, MRC - rev 26/05/2009 12:06:00
ELECTRONICS SYSTEMS
LAB EXERCISE - 4
Progetto
La sequenza di passi di progetto o di analisi è la seguente:
1. progettare il generatore di onda quadra con le seguenti caratteristiche:
uso di comparatore con isteresi tipo 74HC14 o CD4093,
frequenza 10 kHz, duty cycle 50%
Il trigger è un 74HC14 alimentato a 5 V. Resistenza di reazione da 100 kΩ.
Ricavare le soglie dal data sheet.
Calcolare il valore del condensatore (una relazione molto approssimata è periodo = 0,9 τ;
verificare come nasce e quale è il livello di approssimazione)
2. progettare il circuito di controllo lineare, con transistore bipolare TIP31 (beta = 100) di una
lampadina da 12 V 5W (corrente max 420 mA).
Calcolare la dinamica di corrente di base richiesta, e progettare i valori della R di base richiesti
per fornire al carico potenze pari a 0,1, 0,5, 0,8, 1 volte la potenza massima. In alternativa può
esere usata una singola resistenza che, collegata tra la base e un alimentatore regolabile da 0 a
5 V (o un potenziometro dalla alimentazione), permetta di variare in modo continuo la potenza
tra 0 e il massimo.
Calcolare la potenza dissipata sul transistore quando la corrente è metà della massima (a
questo punto di funzionamento corrisponde anche la potenza dissipata massima).
3. progettare la rete di comando del transistore, per pilotare il carico ON-OFF; valutare la
potenza dissipata in queste condizioni dal transistore
La rete è una resistenza Rb; se comandata dal generatore realizzato con l’invertere 74HC14 per
fornire la corrente richiesta occorre collegare in parallelo la uscite di quattro inverter (ovviamente
anche gli ingressi devono essere collegati tra di loro). La potenza dissipata sul transistore è
minima (teoricamente nulla).
4. modificare il circuito del generatore di onda quadra per variare il Duty Cycle dal 10 al 90%
(comando con potenziometro da 1Mohm)
Separare con due diodi i percorsi di carica e scarica del condensatore; una delle resistenze
rimane fissa a 100 kΩ, l’altra varia da 10 kΩ a 1 MΩ. Inserire resistenze in questo campo di
valori per operare in condizioni note; usare un potenziometro collegato come resistenza variabile
per osservere la variazione continua. Non modificare il valore del condensatore.
5. sostituire il potenziometro con una fotoresistenza (ipotizzando un valore minimo < 10kΩ e
uno massimo > 1 MΩ). Analizzare il comportamento del circuito quando la fotoresistenza è
illuminata dalla lampadina (quale verso deve avere il segnale di comando per stabilizzare la
luminosità della lampadina ?)
Page 2 of 4
ElnSysLab09R4e - © DDC, GG, FM, MRC - rev 26/05/2009 12:06:00
ELECTRONICS SYSTEMS
LAB EXERCISE - 4
Montaggi e misure
Ricordare che nei circuiti CMOS tutti gli ingressi devono essere collegati a un livello logico
corretto. Non lasciare scollegati gli ingressi dei trigger inutilizzati.
Le misure e verifiche previste in questa esercitazione, da eseguire in successione
corrispondente alle fasi di progetto elencate in precedenza, sono:
1. verificare il funzionamento del trigger HC14 applicando all’ingresso un segnale triangolare
da 0,5 a 4,5 V.
Attenzione: tensioni esterne all’intervallo GND-Val distruggono l’integrato. Predisporre e
verificare il segnale triangolare prima di collegarlo al circuito, applicare in serie all’ingresso una
resistenza di protezione da 10 kΩ, e accendere l’alimentatore prima del generatore di onda
triangolare (sequenza di spegnimento inversa).
2. verificare il funzionamento del generatore di onda quadra, misurando frequenza e duty cycle
del segnale generato
3. verificare il funzionamento del circuito di controllo lineare, con transistore bipolare.
La luminosità della lampadina deve variare da 0 a un massimo.
Verificare la Vce per luminosità minima (12 V) e massima (circa 0 V).
Verificare che portando la lampadina a metà corrente (Vce = 6V, lampadina a ¼ della potenza
massima) la temperatura del transistore aumenta in modo consistente (è la condizione di
massima potenza dissipata).
4. verificare il comando ON/OFF del carico.
Verificare Vce con l’oscilloscopio; se il comando è corretto deve variare da 0 a 12 V.
Inserire in parallelo al condensatore da 1 nF un altro condensatore da 100 o 200 nF; la
frequenza del segnale di comando si abbassa fino a rendere visibile accensione e spegnimento.
Verificare che il transistore rimane a temperatura ambiente (potenza dissipata minima).
5. utilizzando la variazione del duty cycle del segnale di comando, verificare che la luminosità
media varia di conseguenza
6. verificare che variazioni di illuminamento della resistenza determinano variazione del duty
cycle.
Illuminando la resistenza con la lampadina pilotata dal transistore, se la reazione è negativa, è
possibile stabilizzare la luminosità della lampadina al variare della tensione di alimentazione
(verificare inizialmente con piccole variazioni).
Se occorre invertire il segno della reazione inserire un inverter tra uscita del generatore e porte
che pilotano il transistore (si inverte il duty cycle).
Per questa verifica può essere necessario schermare la fotoresistenza dalla luce ambiente.
Page 3 of 4
ElnSysLab09R4e - © DDC, GG, FM, MRC - rev 26/05/2009 12:06:00
ELECTRONICS SYSTEMS
LAB EXERCISE - 4
Discussione dei risultati
Confrontare i risultati delle verifiche e delle misure con le specifiche di progetto o con i risultati previsti
dai calcoli.
Presentare i risultati nella relazione (max 4 pagine).
Schema del circuito base generatore di onda quadra
100 kΩ
Calcolare la frequenza effettiva di oscillazione e
confrontarla con il valore misurato.
Motivare eventuali differenze.
74HC14
Vu
1 nF
Circuito di comando del carico
12 V
Calcolare il valore di Rb, per comando
in linearità e in commutazione.
L
12 V
5W
Rb
TIP31
Confrontare la potenza dissipata dal transistore
nei due casi
Generatore di onda quadra con variazione del duty cycle
La resistenza variabile da 1 M va ottenuta sostituendo
resistenze di diversi valori, in modo da operare in
condizioni note.
Può essere realizzata con un potenziometro per
osservare la varaiazione continua.
Per realizzare il controllo di luminosità ad anello chiuso
deve essere impiegata come resistenza variabile la
fotoresistenza
Val (5V)
1 MΩ
100 kΩ
10 kΩ
74HC14
Vu
1 nF
Page 4 of 4
ElnSysLab09R4e - © DDC, GG, FM, MRC - rev 26/05/2009 12:06:00