Temporizzatore da 1 secondo a 27 Ore LX373

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1 Istituto Professionale di Stato per l'industria e l'artigianato MORETTO Via Luigi Apollonio, 21 BRESCIA Temporizzatore da 1 secondo a 27 Ore LX373 Realizzato da : BELLERI SIMONE CORINI ROBERTO MENA ALAN classe 5BI TIEE corso per Tecnici delle Industrie Elettriche ed Elettroniche anno scolastico

2 SCHEMA A BLOCCHI OSCILLATORE CONTATORE FLIP FLOP MONOSTABILE CONNESSIONE DARLINGHTON RELE' Il circuito da noi studiato ed elaborato è un temporizzatore digitale programmabile con tempi di intervento che variano da un minimo e di un secondo ad un massimo di 27 ore. Un circuito di questo tipo può essere usato per : accendere le luci di una scala alla sera e spegnerle automaticamente la mattina dopo; accendere e spegnere ad intervalli regolari un insegna luminosa; accendere automaticamente una caldaia al mattino un ora prima di entrare in un negozio; spegnere a tarda notte le luci nella vetrina di un negozio o negli ingressi di un condominio; mettere in moto automaticamente all ora prefissata una pompa per annaffiare una serra o un giardino per aprire automaticamente ad intervalli prefissati le mangiatoie in un allevamento di bestiame Il circuito può funzionare in due modi : a) funzionamento a ciclo continuo b) funzionamento a ciclo singolo. Nel funzionamento a ciclo continuo se predisponiamo il circuito per esempio su un tempo di 20 minuti, il relè si ecciterà solo dopo 20 minuti che è stato premuto il pulsante nero di start e rimane eccitato per un tempo variabile da 0,8 a 1,8 secondi, questo tempo varia a seconda della posizione in cui si trova il trimmer R12. A questo punto il relè si diseccita e resta in questo stato per altri 20 minuti, poi torna ad eccitarsi con il solito periodo di 0,8-18 secondi, quindi ancora una volta si diseccita e così di seguito fino a che non si interrompe il ciclo manuale premendo il pulsante rosso di stop. Questo tipo di funzionamento, (tempo di eccitazione del relè compreso) può essere facilmente aumentato modificando semplicemente la capacità di un solo condensatore, può essere utilizzato per tutte quelle applicazioni in cui si richieda di compiere una determinata operazione, come per esempio accendere una luce, avviare un motore, ecc. ad intervalli regolari e costanti. 5BI-96/97 2

3 Il funzionamento a ciclo singolo è molto semplice. Non appena premiamo il pulsante nero di start il relè si eccita subito e resta in questo stato per il tempo da noi prefissato agendo sull apposito commutatore e potenziometro, dopo di che si diseccita e per farlo rieccitare occore premere nuovamente il pulsante di start. CONTATORE: Gli integrati IC2 e IC3 sono due 4518 al loro interno sono presenti due contatori BCD, lo schema interno di è il seguente: VDD RESET Q4 Q3 Q ENABLE 10 CLOCK 9 R CONTATORE 1 CONTATORE 2 R 1 CLOCK 2 ENABLE Q1 Q3 Q4 7 8 RESET VSS CLOCK ENABLE RESET NOTE 1 0 il contatore avanza 0 0 il contatore avanza X 0 il contatore non avanza X 0 il contatore non avanza 0 0 il contatore non avanza 1 0 il contatore non avanza X X 1 azzeramento del contatore Il dispositivo incrementa il conteggio se : a) arriva un fronte di salita sull input di CLOCK con ENABLE a livello logico 1. b) arriva un fronte di discesa sull input ENABLE con CLOCK a livello logico 0. In tutti gli altri casi il contatore non sarà attivo cioè non incrementerà il suo valore. Il Reset serve per riportare il contatore nello stato 0. 5BI-96/97 3

4 EN Per rendere più facile la comprensione del funzionamento de contatore è riportato di seguito un diagramma temporale esemplificativo: L enable riceve un onda rettangolare (ingresso CLOCK a massa) ; come si può notare dal grafico di figura, al primo fronte di discesa abbiamo sull uscita Q1 un livello logico 1 e tutte le altre a 0, e così via in base alla numerazione BCD. A fine ciclo cioè con uscita Q1 e Q4 a livello logico 1 e e Q3 a 0 (valore 9 BCD) possiamo notare che in uscita a Q4 abbiamo l unico fronte di discesa di fine ciclo, che appare ad ogni fine ciclo, perchè invece su Q1 non è Q1 Q3 Q l unico; allora noi utilizzeremo quello di Q4 perchè coincide perfettamente con il fine ciclo e così potremo collegare in cascata il secondo contatore che a differenza del primo conterà le decine, il terzo le centinaia e il quarto le migliaia. Il circuito realizzato praticamente è mostrato nel disegno sottostante: E CK Q1 Q3 Q4 E CK Q1 Q3 Q4 E Q1 CK Q3 Q4 E CK Q1 Q3 Q4 1/10 1 1/100 1/1000 1/10000 CIRCUITO OSCILLATORE: R1 1MA R2 100K C1 4,7uF Oscillatore RC 5BI-96/97 4

5 Per ottenere un temporizzatore in grado di fornire dei tempi lunghissimi con la maggiore precisione possibile abbiamo realizzato un oscillatore ad onda quadra abbastanza stabile con frequenza variabile da 0,1 Hz a 1 Hz (cioè con tempi variabili da 1 a 10 secondi). L oscillatore è stato realizzato sfruttando uno dei sei inverter schmitt-trigger contenuti nell integrato IC1 e tramite il potenziometro R1 possiamo fare variare la frequenza di oscillazione da un minimo di 0,1 Hz, pari ad un periodo di 10 secondi, ad un massimo di 1 Hz, pari ad un periodo di 1 secondo. In pratica questo oscillatore da solo è già un perfetto temporizzatore infatti se noi escludiamo dal circuito i due integrati IC2 e IC3 e colleghiamo direttamente il piedino 6 con il piedino 9 dell integrato IC1 tramite il condensatore C4 potremo ottenere da questo circuito tutte le funzioni che esso è in grado di offrirci con la sola limitazione che i tempi risulterebbero limitati ad un massimo di 10 secondi. All accensione del circuito il condensatore C1 è scarico ed in uscita al trigger abbiamo un livello logico 1 perchè essendo invertente ed avendo un livello logico 0 in ingresso di conseguenza, avremo un livello logico 1 in uscita; che passando per la resistenza R2 e il potenziometro R1 va a caricare il condensatore C1 che è collegato a massa. Il condensatore C1 si carica solo in parte perchè quando arriva alla soglia superiore l uscita del trigger va a livello logico 0 e di conseguenza il condensatore si scarica attraverso la resistenza R2 e il potenziometro. Il condensatore non si scarica del tutto ma quando arriva alla soglia inferiore l uscita del trigger va a livello logico 1 e il condensatore C1 si carica fino alla soglia superiore e così via. VE VCC S.S. SOGLIA SUPERIORE S.I. SOGLIA INFERIORE VU Per capire meglio l uscita VU prima bisogna spiegare il funzionamento del trigger invertente: 5BI-96/97 5

6 VG S.S. S.I. VU Una delle applicazioni più diffuse del trigger è rappresentata dal circuito squadratore : in tale circuito una qualsiasi forma d onda di ingresso viene trasformata in onda rettangolare d uscita. Nello schema sovrastante è riportato il grafico che rappresenta la tensione Vg, sono state riportate le due soglie quella superiore (S.S.) e quella inferiore (S.I.) del trigger: Quando Vg supera la S.S. l uscita del trigger passa in saturazione negativa VEE. Quando Vg scende al di sotto della S.I.,l uscita del trigger ricommuta sul livello di saturazione positiva. LATCH R-S Il cuore del dispositivo realizzato è il latch RS : START A VCC STOP B OUT Latch Set Reset realizzato con porte NOT C-MOS Quando premiamo il pulsante di start all ingresso della porta triggerata A abbiamo un livello logico 1 e all uscita (essendo una porta invertente) abbiamo un livello logico 0, il quale viene riportato all ingresso dell altra porta triggerata (anch essa invertente) e quindi all uscita abbiamo un livello logico 0 che conferma quello che avevamo all ingrsso della prima porta triggerata. 5BI-96/97 6

7 MONOSTABILE: VCC R10 10K DS6 R16 100K C4 10 IC1E 11 TP4 C5 TP3 8 9 TP2 100nF R11 100K 4,7uF DS7 IC1F R15 1M R12 2M2 R13 4K7 Circuito Monostabile In condizioni di riposo la tensione nel punto TP2 è approssimativamente pari a Vcc (partitore R16, R15) pertanto a livello 1 ; il punto TP3 si trova quindi a livello 0, C5 risulterà scarico, TP4 si troverà pure a livello 0, l uscita di IC1E a livello 1 per cui il diodo DS6 risulterà interdetto. Se attraverso C4 giunge un fonte di discesa, TP2 passa istantaneamente a livello 0, TP3 passa a livello 1 ; il fronte di salita su TP3 transita e giunge su TP4 (C5 si carica attraverso la serie R11 ed R12 con costante di tempo τ=10.8 sec.), l uscita di IC1E passa a livello 0, DS6 si pone in conduzione e unitamente a R10 abbassa il potenziale di TP2 portandolo a livello 0 (il partitore che determina il potenziale su TP2 è ora R16 e R10). Quando la tensione su TP4 scende al di sotto della LTL del circuito integrato IC1E, l uscita dello stesso passa a livello 1, DS6 si interdice, il livello nel punto TP2 ritorna alto, TP3 ritorna basso, C5 si scarica velocemente (τ=22 ms) attraverso DS7 ora polarizzato direttamente e R13. Il monostabile è perciò pronto per un nuovo ciclo. Il segnale in uscita al monostabile rimane a livello 0 durante la fase di temporizzazione ; quello in uscita al circuito integrato IC1D rimane a livello 1 durante la fase di temporizzazione. Tale segnale giunge attraverso DS3 al reset RST dei 4 contatori BCD 4518 provocando il loro azzeramento, contemporaneamente attraverso DS1 inibisce il funzionamento dell oscillatore (mantenendo carico C1) 5BI-96/97 7

8 Vi V-TP2 t V-TP3 t V-TP4 t Vu 22mS 0,47 SEC 10.8 SEC t t Il circuito monostabile serve per resettare i contatori, infatti per ogni fronte di discesa che noi preleviamo all uscita selezionata dal precedente stadio circuitale, il monostabile dà un segnale in logica negativa che convertiamo in positiva con l integrato IC1F per effettuare il reset e azionare il relè. CONNESSIONE DARLINGHTON: La connessione Darlinghton viene realizzata per ottenere transistor ad elevatissimo guadagno di corrente (nel nostro caso pilota un relè). La connessione Darlinghton, rappresentata in figura è costituita da due BJT con i collettori collegati tra loro e un emettitore alla base dell altro transistor equivalente Di seguito è riportato lo schema elettrico di una connessione Darlinghton : Il funzionamento statico è caratterizzato dalle seguenti relazioni : C IC1 = hfe1 IB1 Ic1 ( ) I I I I h I h E1 = B1+ C1 = B1+ FE B1 1+ FE1 B Ib1 Ic2 = = ( + 1 ) = + = + ( 1 + ) = ( + ) I h I h I h C2 FE2 B2 FE2 B1 1 FE I I I h I h I h I h h h CTOT C1 C2 FE1 B1 FE 2 B1 FE1 B2 FE1 FE1 FE 2 Ie1 Ib2 E 5BI-96/97 8

9 h FET ICT = = I B1 ( + ) I h h h B1 FE1 FE1 FE2 I B1 = h + h h h h FE1 FE1 FE 2 FE1 FE 2 Risulta quindi chiaro che le due correnti di collettore sono molto diverse tra loro e, pertanto, i parametri hfe del transistor TR2 sono diversi da quelli di TR3. Schema elettrico completo del Timer LX 373 IC1AC V DS1 DS2 S1 START 12V P2 STOP R1 1MA C1 4,7uF R5 10K R6 10K IC1B 3 4 IC1CA 1 2 R2 100K R8 33K 1 S2A R9 33K 3 2 DS5 TP5 DS3 DS4 12 IC1F IC2B CD 4518 CLK Q0 11 EN Q RST Q3 14 IC2A CD CLK Q0 3 EN Q RST Q R7 22K 10 R10 10K IC1E R11 100K R12 2M2 11 TP IC3A CD 4518 CLK Q0 3 EN Q1 4 5 RST Q3 6 CLK Q0 11 EN Q RST Q3 14 IC3B CD 4518 DS6 C5 4,7uF DS7 R13 4K7 TP IC1FD 9 S1 R3 15K TP1 B C4 100 nf TP2 R15 1M R16 R4 820 DL1 LED C TR1 BC208 E 100K DS8 1N4007 RELAY V S2B 1 R14 15K TR2 BC208 B C E B C TR3 BD137 E C2 100nF C3 100nF Rilievi all oscilloscopio Di seguito sono riportate delle misure compiute sul nostro circuito elettrico attraverso l oscilloscopio: 5BI-96/97 9

10 I grafici riportati di seguito sono stati ricavati al punto numero TP1 del nostro circuito: 5BI-96/97 10

11 Il grafico di seguito è stato ricavato posizionando la sonda dell oscilloscopio al punto 2 indicato sullo schema elettrico: Questa immagine è stata ricavata posizionando la sonda al punto 3: Il grafico di seguito invece al punto 4: 5BI-96/97 11

12 Ed in ultimo abbiamo rilevato il segnale ai capi del diodo DS3 cioè il punto 5: 5BI-96/97 12