INTRODUZIONE... 2 IL MICROFONO PIEZOELETTRICO... 2 AMPLIFICATORE... 3 FLIP-FLOP SR... 3 RETI RITARDATRICI... 3 DIODO VOLANO... 3 TRIMMER... 3 FUNZIONAMENTO DEL CIRCUITO... 4 RILEVAZIONI ALL'OSCILLOSCOPIO... 4 FLIP-FLOP MICROFONICO Uberti Michele classe 5BI a.s. 94-95 corso TIEE Tecnico Industrie Elettriche ed Elettroniche docenti: prof. Cleto Azzani prof. Vitonofrio de Trizio IPSIA MORETTO BRESCIA
INTRODUZIONE Il FLIP-FLOP MICROFONICO,è un circuito elettronico che viene realizzato per il fine di fare interscambiare il contatto di un relè quando questo riceve in ingresso un segnale acustico in BF. Lo schema elettrico in FIG.1 è abbastanza elementare in quanto presenta al suo interno un integrato di tipo CD.4011 e due transistor (TR1,TR2). 12V C1 10uF 25V + - C4 470nF S1 R3 R6 D1 1N4148 R2 10K R1 C3 100nF 8 9 U1C 10 12 13 U1D 11 R8 1K RELAY TR2 BC208C 12V C2 1uF 25V + - TR1 BC109B R4 1 2 U1A 3 R7 5 6 U1B 4 CP1 MICRO R5 C5 470nF La globalità del sistema è riassumibile in 5 blocchi nei quali vengono esaminate le parti fondamentali del circuito (FIG.2). MICROFONO PIEZOELETTRICO AMPLIFICATORE DI TENSIONE FLIP-FLOP AMPLIFICATORE DI CORRENTE INTERRUTTORE ELETTRONICO RELE' IL MICROFONO PIEZOELETTRICO Il microfono piezoelettrico è un trasduttore in grado di trasformare l energia di una certa forma in energia di altra orma. Basa il suo funzionamento sul fenomeno della piezoelettricità,per cui alcuni corpi cristallini chiamati generalmente cristalli piezoelettrici si possono polarizzare elettricamente a causa di una deformazione meccanica di natura elastica (effetto piezoelettrico diretto). Viceversa si deformano elasticamente se vengono sottoposti all azione di un campo elettrico (effetto piezoelettrico inverso). A causa della particolare struttura cristallografica,le deformazioni prodotte dall azione maccanica (che può essere di pressione o di forza) provocano una deformazione all interno del reticolo cristallino che provoca una separazione del baricentro delle cariche positivo dal baricentro delle cariche negative. Si viene in questo modo ad avere all interno del cristallo una polarizzazione elettrica che dipende dalla pressione o dalla forza applicata;in questo modo si assiste al fenomeno della distribuzione della cariche positive su una faccia del cristallo enegative sull altra con una uguale densità di carica data da G=K*P dove K viene definita costante piezoelettrica e dipende dalle caratteristiche del cristallo mentre P è la pressione applicata. La DDP (differenza di potenziale) che viene a crearsi tra le due facce fornisce solamente un segnale di tensione privo di potenza.questo segnale percui necessita di un amplificatore di carica cioè di un amplificatore ad elevata impedenza di ingresso;nel circuito invece,è stato utilizzato un amplificatore composto da un semplice BJT. La polarizzazione elettrica del segnale segue l azione maccanica e viceversa con un ritardo di 10E-8 sec;tale risposta rende i cristalli piezoelettrici particolarmente adatti come trasduttori elettromeccanici ed elettroacustici ad alta fedeltà. 2
AMPLIFICATORE Un amplificatore in genere è un dispositivo che contiene al suo interno dei componenti non lineari a tre o più morsetti. Con l ausilio dell amplificatore è possibile ottenere l amplificazione cioè la manipolazione di un segnale che viene modificato aumentandone l ampiezza del segnale di ingresso che nel caso del flip-flop microfonico è un segnale di tensione privo di potenza. In altri termini un amplificatore incrementa una grandezza elettrica variabile mantenendola proporzionale a se stessa.per cui l importanza dei componenti non lineari a più di due morsetti nell assolvimento di questa funzione è dovuta al fatto che in ogniuno di tali dispositivi è presente un ingresso tale che applicandovi una grandezza elettrica di debole intensità è in grado di far variare proporzionalmente la corrente posta in circolazione tra gli altri due morsetti mediante un generatore esterno. Gli elementi fondamentali all interno del blocco amplificatore sono i componenti non lineari TR1 e TR2 (transistor NPN tipo BC 109B/208C). I TR dispongono di tre morsetti di cui uno questi è connesso a massa (emettitore). Tale connessione gli permettono di funzionare da amplificatori con i segnali da amplificare connessi alla base. FLIP-FLOP SR I flip-flop sono elementi di memoria costituiti in genere da Latch in combinazione con altre porte logiche. Nel circuito del flip-flop microfonico si possono individuare 4 porte nand che costituiscono il circuito logico rappresentato dall integrato IC1 che lavora in tecnoloogia Cmos cioè con tensioni di lavoro che rientrano nei valori tra 3 e 18V e con potenze dissipate dell ordine di 600mW per porta. Questi dati se confrontati con integrati della famiglia TTL risultano elevati perchè questi ultimi dissipano delle potenze intorno ai 10mW per porta e con una tensione fissa di lavoro di 5V. Da questo confronto risulta ovvio che la dissipazione di calore nei Cmos è nettamente maggiore che nei TTL. Le due porte logiche nand collegate all uscita in quella particolare configurazione realizzano un flip-flop (set reset) mentre le altre due collegate agli ingressi pilotano con le loro uscite gli ingressi di set e reset del flip-flop. RETI RITARDATRICI Le reti a resistenza e capacità costituite da R6-C4 e da R7-C5 realizzano dei ritardi nel circuito logico necessari per eliminare dei disturbi che potrebbero alterare il funzionamento del sistema,infatti nelle porte U1C e U1A gli ingressi 1 e 9 quando sono a livello 0 eseguono uno controllo di memoria percui lo stato d uscita non varia,mantenendo in uscita (11) lo stato precedente,mentre quando raggiungono il livello logico 1 cambiano lo stato di memoria e di conseguenza anche lo stato delle uscite. In pratica quando viene inviato un segnale agli ingressi del flip-flop (1-9) si assiste all abilitazione di una delle due porte logiche alla volta (dipende dallo stato di memoria precedente); questa operazione viene eseguita dall integrato grazie a particolari collegamenti fatti,percui quando una porta è abilita l altra non permette al segnale di influenzare l uscita. Vale adire che se è abilitato l ingresso 9 (comando di set del flip-flop) l ingresso 1 è interdetto e viceversa se l ingresso 1 (comando di reset del flip-flop) viene abilitato l ingresso 9 è inibito. Le reti RC dell IC1 hanno una costante si tempo teorica da considerare,che differisce da quella realmente presente e misurata in sede sperimentale:il tempo che realmente impiegano a fornire un livello logico alto sugli ingressi 5 e 13 delle porte U1D e U1B è pari a 708mS,in quanto in corrispondenza di questo tempo il valore di tensione presente sulle porte è circa 1/3 della Vcc cioè 3-4V. Questo valore differisce da quello sperimentale calcolato con i dati dei componenti perchè la costante di tempo calcolata,tramite la formula T=RC,è pari a 500mS. Nel grafico di FIG.3 è rappresentato un diagramma che evidenzia il comportamento ed il funzionamento delle uscite del flip-flop in relazione alle reti ritardatrici ed agli ingressi.infatti quando C4 è in fase di scarica e C5 in fase di carica e viceversa si nota che a qualsiasi variazione degli ingressi l uscita non varia il suo stato precedente,mentre quando la carica o la scarica sono a regime si può osservare il cambiamento dello stato d uscita alla nuova rilevazione di un segnale d ingresso. DIODO VOLANO Il relè presenta,a causa della bobina di eccitazione,un carico induttivo che, dal passaggio del BJT dallo stato ON allo stato OFF,produce una ddp tra il collettore e l emettitore che supera la tensione di breakdown dello stesso BJT. Il diodo volano svolge la funzione di smaltire dell energia magnetica prodotta dalla bobina in modo da non produrre delle sovratensioni ai capi del BJT che altrimenti si distruggerebbe. TRIMMER I due trimmer R2 ed R4 svolgono la funzione di selezionare il segnale d ingresso del FLIP-FLOP.Infatti il trimmer R2 serve per la regolazione della sensibilità mentre R4 per la soglia di attivazione o disattivazione del FLIP-FLOP. Per 3
avviare l integrato CD.4011 si deve imporre sugli ingressi un segnale in BF che può variare dentro un range da 4-12V perchè questo venga interpretato come 1 logico,mentre i segnali inferiori a 4V vengono interpretati come 0 logico. Regolando i 2 trimmer ai massimi livelli loro consentiti,si aumenta la sensibilità del circuito a captare segnali in BF di bassa intensità acustica. FUNZIONAMENTO DEL CIRCUITO Quando il microfono piezoelettrico capta un segnale in BF di tipo acustico, emette un segnale in tensione che viene portato alla base de transistor TR1 tramite il C2;questo segnale viene amplificato e trasmesso agli ingressi dell integrato IC1 passando per un condensatore C3. A questo punto l integrato risponde al segnale attivando il SET oppure il RESET in base allo stato precedente dell uscita che fino a questo momento era stato mantenuto in memoria. Una volta cambiata nuovamente l uscita dell IC1 attraverso una resistenza R8 il transistor TR2 amplifica il segnale d uscita dell integrato che,dopo aver passato lo stadio dell amplificazione,va ad eccitare la bobina del relè interscambiando il contatto dello stesso. Per diseccitare il relè basta che venga captato nuovamente un altro segnale dal microfono tale per cui,il segnale che prima aveva agito sulla porta del SET del flip-flop,ora questo nuovo segnale attivi la porta di RESET e riporti ad un livello 0 l uscita,percui il TR2 cambi il suo stato da quello di saturazione a quello di interdizione,per il fatto che alla base del BJT risulti presente una tensione inferiore a quella di lavoro dello stesso.in questo modo viene ripristinata la condizione di riposo del relè. RILEVAZIONI ALL'OSCILLOSCOPIO (PER VERIFICARE IL CORRETTO FUNZIONAMENTO DEL SISTEMA) Per verificare ed approfondire meglio il funzionamento del circuito sono stati fatti dei rilevamenti in punti particolari del flip-flop microfonico al fine di conoscere particolari caratteristiche che questo presentava come ad esempio il comportamento del TR1,sul collettore,al quale veniva applicato sperimentalmente un segnale di tipo sinusoidale per simulare un segnale esterno che si avvicinasse a quelli possibili captabili dal microfono piezoelettrico. La forma d onda amplificata dal BJT è rappresentata dalla FIG.4,nella quale si può vedere che il valore della tensione Vp-p (tensione picco-picco) con il transistor interdetto,era pari a 13V. L andamento del grafico rilevato fa notare chiaramente il funzionamento alternato tra l interdizione e la saturazione del TR1 che variava con la frequenza del segnale, che potevamo modificare a piacere perchè per simulare un rumore esterno è stato collegato ai terminali del microfono un generatore di funzione. Un altra rilevazione è stata fatta sull ingresso 9 della porta U1C del. Il risultato è rappresentato dalla FIG.5 4
nella quale si nota i processi di carica e di scarica del condensatore C3. Il segnale che la porta riceve in ingresso ha un valore Vp-p=8V:questo valore è già eccessivo per avere un 1 logico sulla porta perchè il valore minimo per cui la porta risponde con un 1 e di circa 1/3 di Vcc e cioè 3-4V. Nel piedino 8 è stata fatta un altra rilevazione importante e cioè è stata rilevata la carica e la scarica del C4 che corrisponde alla scarica ed alla carica del corrispettivo C5 (FIG.6) Importante e la rilevazione dei tempi che i condensatori impiegano a caricarsi e a scaricarsi perchè svolgono nelle reti ritardatrici una funzione importante. L ultima rilevazione è stata effettuata sul piedino 11 dell integrato e più precisamente sull uscita collegata tramite una resistenza al TR2 (FIG.7). 5
Si vede che il segnale d uscita e rappresentato da un onda quadra con un duty cycle,che è dato dal rapporto dalla parte del periodo in cui il segnale sta a 1 sul periodo totale (T1/T),è pari al 50%. Il valore dell uscita Vp-p=12V circa mentre il valore minimo assunto è -156mV. 6