Progetto interruttore crepuscolare

Progetto interruttore crepuscolare
Abbiamo voluto realizzare un semplice circuito elettronico di dimensioni ridotte che funzioni da interruttore
crepuscolare.
Per la realizzazione è stato utilizzato un relè che permette la commutazione fra due utilizzatori, al contrario di
un circuito a triac limitato a fornire e togliere tensione ad un utilizzatore solo.
Per crepuscolare si intende la capacità che l’oggetto ha di percepire le variazioni di luminosità dell’ambiente
esterno ad esso e agire di conseguenza.
In campo industriale per rilevare la quantità di luce ambientale (soprattutto all’aperto) si usano quasi sempre
fotoresistori in grado di mutare la propria resistenza a seconda della luce a cui sono esposti; oppure, se si
vogliono rilevare variazioni molto rapide si preferisce utilizzare componenti detti fotodiodi e fototransistor per
la loro più
elevata risposta in frequenza (tempi di risposta dell’ordine di 100 ps).
Infatti i fotoresistori o fotoconduttori sono costituiti da materiale semiconduttore nel quale i fotoni incidenti di
una radiazione elettromagnetica, aventi un’energia superiore a quella della banda proibita o energy gap,
ionizzano i legami covalenti degli atomi del semiconduttore.
Condizioni esterne
Valore di resistenza
Unità
Luce intensa
35
ohm
Luce media
1,5
Kohm
22 / 23
Kohm
Assenza di luce
Fig. 1 Caratteristiche fotoresistore utilizzato.
Si formano in questo modo coppie elettrone-lacuna in eccesso rispetto a quelle che vengono generate
termicamente; in questo modo l’ incremento dei portatori di corrente provoca la diminuzione della resistenza
del materiale.
I rivelatori fotoconduttivi hanno il vantaggio di una risposta spettrale assai vicina alla regione della luce
visibile e una sensibilità molto elevata.
© Copyright 2003-2004 Anghinetti Simone
Per fornire l’ alimentazione alla fotoresistenza e per il trigger sono stati montati due amplificatori
operazionali, componenti che hanno sostituito i transistor in molte loro applicazioni, specialmente nel campo
dell’amplificazione dei segnali elettrici (sono effettivamente una rete di transistor); questi sono contenuti
fisicamente in un singolo integrato, l’LM358 della National Semiconductor di cui è allegata la
documentazione tecnica.
Tra i due terminali di alimentazione di questo circuito integrato è stato collegato in parallelo un condensatore
che è una sorta di fusibile che impedisce, in caso di cortocircuiti, che l’integrato si danneggi; nella
realizzazione pratica bisogna prestare attenzione a porlo fisicamente vicino al chip in modo da ottenere
tempi d’intervento molto bassi, e aumentare la probabilità che gli operazionali si salvino.
Il primo stadio con operazionale è stato configurato come VCIS (voltage-controlled current-source) o
amplificatore a transconduttanza.
Questo dispositivo, idealmente, fornisce ad un carico una corrente proporzionale alla tensione d’ingresso,
indipendentemente dalle variazioni del carico stesso.
Dallo schema si può notare che tale stadio è composto da un inseguitore di tensione o separatore di
impedenze, che ha guadagno unitario e pilota in tensione un transistor (documentazione tecnica allegata)
necessario per amplificare la corrente erogata dall’operazionale.
Condizioni esterne
Valore di corrente
Unità
Luce intensa
-5
µA
Luce media
-5,2
µA
Assenza di luce
-5,9
µA
Fig. 3 Corrente fornita dal VCIS. (Il segno -, è dovuto al verso della corrente, che entra nell’ A.O.)
Misurando la corrente che alimenta la fotoresistenza si è constatato che non è costante ma oscilla intorno a
0.5 – 0.6 mA.
Questo fatto può essere causato dagli offset d’ingresso degli operazionali reali o da un valore del carico che
non è compreso tra quelli accettabili, infatti solo teoricamente il carico può assumere qualsiasi valore, in
realtà ciò non è più vero; o ancora dalla temperatura di lavoro del transistor, che incide in modo drastico sul
guadagno di corrente del dispositivo stesso.
In ogni caso la questione non ci interessa perché il livello di precisione occorrente in questo progetto, come
già sottolineato, non è alto.
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Il transistor è polarizzato con il classico circuito di polarizzazione automatica riportato sotto.
Fig. 4 Circuito di polarizzazione automatica del transistor TR1.
Il secondo amplificatore operazionale ha la funzione di trigger di Schmitt invertente, dispositivo associato alla
categoria dei comparatori con centromaglia diverso da 0.
Fig. 5 Trigger di Schmitt inserito nel progetto.
Non è necessario, nel configurare il comparatore utilizzato, tenere conto della lentezza di commutazione di
cui certi modelli di operazionale sono afflitti perché le variazioni di segnale d’ingresso che si valutano non
sono particolarmente veloci.
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Se utilizzassimo come comparatore un operazionale ad anello aperto, la struttura si rivelerebbe assai
sensibile ai disturbi o al rumore presente ad uno o all’altro degli ingressi.
Per ovviare a questo inconveniente si introduce nel sistema una reazione positiva.
La reazione positiva viene realizzata applicando all’ingresso non invertente una parte della tensione di
uscita, prelevata mediante un partitore resistivo; si può facilmente notare che l’impiego di questo metodo
spinge l’uscita a commutare più velocemente.
Il trigger ci permette di regolare la sensibilità del crepuscolare per mezzo di un trimmer o un potenziometro
agendo sulla tensione di riferimento.
Posizione trimmer
Valore di tensione
Unità
0,5
V
5
V
9,5
V
Completamente inserito
Inserito al 50%
Disinserito
Fig. 6 Tensione sull’ingresso non invertente.
Condizioni esterne
Valore di tensione
Unità
Luce intensa
15 / 20
mV
Luce media
1
V
8,5
V
Assenza di luce
Fig. 7 Tensione sull’ingresso invertente.
Per determinare in che modo varia il segnale d’uscita del trigger di Schmitt si possono ricavare le principali
maglie d’isteresi del trigger.
Tensione di riferimento di 0.5 V
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Tensione di riferimento di 5 V
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Tensione di riferimento di 9.5 V
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In tutte e tre le situazioni, il segnale d’uscita va basso (alla tensione di saturazione inferiore
dell’operazionale, che in un dispositivo ad alimentazione singola è di circa 0.5 V / 1 V) quando la tensione
sull’ingresso invertente supera il valore Vt+, o tensione di soglia superiore; mentre, l’uscita va alta (alla
saturazione superiore, in questo caso circa 10 V) se la tensione in ingresso scende sotto Vt-, o tensione di
soglia inferiore.
Il nome attribuito ai ‘comparatori’ deriva dal fatto che questi circuiti confrontano il segnale sul morsetto
invertente con quello sul non invertente, e viceversa.
Posizione trimmer
Condizioni esterne
Valore di tensione
Unità
Completamente inserito
Luce intensa
9,85
V
Completamente inserito
Luce media
0,2
V
Completamente inserito
Assenza di luce
0,2
V
Inserito al 50%
Luce intensa
9,85
V
Inserito al 50%
Luce media
9,85
V
Inserito al 50%
Assenza di luce
0,2
V
Disinserito
Luce intensa
9,85
V
Disinserito
Luce media
9,85
V
Disinserito
Assenza di luce
9,85
V
Fig. 8 Uscita dello stato di trigger.
Per evitare le false commutazioni, e le conseguenti oscillazioni del segnale d’uscita si dovrebbe porre le due
soglie di commutazione del trigger di Schmitt sufficientemente distanziate in modo che, anche piccole
oscillazioni del segnale d’ingresso (in questo caso proveniente dalla fotoresistenza), non influenzino la
dinamica d’uscita dell’operazionale.
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La differenza Vh fra le due soglie di commutazione prende il nome di isteresi.
Per evitare dunque che si presenti il problema sopra citato occorre che Vh sia maggiore dell’ampiezza piccopicco dei disturbi; in altri termini, l’ampiezza dell’isteresi indica l’ampiezza del segnale di rumore che può
essere tollerata o il margine di rumore.
Nota : Se si presentano false commutazioni si può rimediare sostituendo il resistore di retroazione del
trigger con uno di valore di 390 Kohm oppure 470 Kohm, a seconda della precisione voluta nelle
commutazioni.
Per eccitare il relè che commuterà fra una lampada e l’altra (o fra due utilizzatori qualsiasi) agisce il secondo
transistor, che funziona in modalità ON / OFF (o è saturo o interdetto) ed è comandato dall’uscita del trigger,
che polarizza il diodo DS2 collegato in parallelo alla bobina del relè.
Per stabilizzare la tensione presente alle uscite del relè sono stati connessi i condensatori C5 e C6.
Abbiamo effettuato qualche test in laboratorio per stabilire se il funzionamento fosse corretto; innanzitutto si
collegano due lampade di prova al circuito, si da l’alimentazione al circuito (+12Vcc) e alle lampade (a
seconda delle lampade utilizzate); a collegamenti ultimati si accende una delle due lampade,
successivamente si oscura la fotoresistenza ad esempio mettendogli sopra un dito e il relè commuta
facendo accendere l’altra lampada e spegnendo quella già accesa.
Per regolare la sensibilità del sistema, e quindi regolare la quantità di luce incidente sul fotoresistore per cui
il relè commuta, si varia la posizione del morsetto centrale del trimmer (o il potenziometro) fino alla soglia
desiderata.
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