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 Assenza di luce 22 / 23 Kohm 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.
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.
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.
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 Completamente inserito 0,5 V Inserito al 50% 5 V Disinserito 9,5 V Fig. 6 Tensione sull ingresso non invertente. Condizioni esterne Valore di tensione Unità Luce intensa 15 / 20 mv Luce media 1 V Assenza di luce 8,5 V 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
Tensione di riferimento di 5 V
Tensione di riferimento di 9.5 V
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.
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.