Regolatore automatico

Vediamo in questo articolo di progettare un circuito elettronico in grado di regolare la luminosità di una lampada in funzione della luminosità esterna, ma cambiando il componente utilizzato come sensore, ed eventualmente una resistenza per la sua regolazione, può tranquillamente ad esempio essere utilizzato per regolare la velocità di una ventola in base alla temperatura.
L’idea è quella di regolare il carico utilizzando la tecnica del pwm, vi invito ad andarvi a leggere l’articolo dove parlo del pwm, e magari anche l’articolo dove abbiamo già costruito un regolatore pwm.
Il circuito, come sempre è alimentato a bassa tensione, nello specifico il circuito funziona a 12V, e quindi è adatto a pilotare carichi funzionanti a 12V, ma una volta capito il funzionamento spero non vi sarà difficile adattarlo a diverse tensioni.

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Sopra vediamo il circuito completo, tutto il funzionamento gira intorno a due amplificatori operazionali, IC1A, IC1B, una manciata di componenti di contorno, il sensore di luminosità, ovvero la fotoresistenza R6, che è appunto in grado di modificare il suo valore, in base alla luce che la colpisce, un trimmer R5 per regolare la soglia di intervento, ed infine il transistor Q1 per pilotare il nostro carico.
Come tutti i circuiti elettronici, anche questo può essere diviso in diverse sezioni, che andremmo a studiare una alla volta.

La prima sezione che ci interessa, è quella composta da IC1A, le resistenze R1,R2,R3,R4 ed il condensatore C1

schema.png

Il nostro amplificatore operazione, che abbiamo già studiato qua, è utilizzato come comparatore di tensione, ciò significa che la sua uscita pin1 è attiva quando la tensione inviata sul pin 3 è superiore a quella inviata sul pin2, diversamente l'uscita pin1, sarà disattiva.
Partendo da una condizione iniziale in cui il condensatore C1 è scarico, e lasciando per un attimo da parte le resistenze R3 ed R4, sul pin2 avremmo una tensione prossima allo 0V, infatti quando abbiamo studiato il condensatore, abbiamo visto che quando un condensatore è scarico ai suoi capi è presente una tensione di 0V.
Sul pin 3 invece è presente la tensione proveniente dal partitore resistivo, costituito da R1 ed R2, e oramai dovremmo sapere che la tensione proveniente da un partitore resistivo è uguale a:

R2/(R1+R2)xVcc

Nel nostro caso avendo una tensione di alimentazione Vcc=12V ed utilizzando per R1 ed R2 un valore di 47K, la tensione in uscita dal partitore e diretta sul pin5 sarà uguale a:

47000/(47000+47000)x12 → 0,5x12 = 6V

Non sarebbe nemmeno stato necessario eseguire i calcoli, perché dovremmo avere imparato che un partitore costituito da resistenze di uguale valore, genera sempre un rapporto di riduzione di 0,5 e quindi la tensione risultante è sempre pari alla metà di quella con cui è alimentato, infatti nel nostro caso il partitore alimentato con una tensione di 12V invia sul pin3 una tensione di 6V.

Ricapitolando, nell’istante iniziale abbiamo sul pin3 una tensione di 6V e sul pin2 una tensione di 0V, la tensione sul pin3 è maggiore di quella sul pin2, e quindi l’uscita pin1 si porterà a livello alto, ovvero sul pin1 ci ritroveremo una tensione prossima a quella di alimentazione.
Un po' di questa tensione presente sul pin1, tramite la resistenza R4, viene riportata sull’ingresso 3, dove è già presente anche la tensione proveniente dal partitore, questo ha come effetto un innalzamento della tensione sul pin2, senza entrare troppo nei dettagli, vi posso dire che la tensione sul pin2 sarà innalzata di circa 3,5V, portandosi quindi a circa 9,5V.

Quindi il primo effetto dell’uscita pin1 alta, è che grazie alla resistenza R4, la tensione sul pin3 viene innalzata da 6V a 9,5V.
La tensione presente sul pin1, però non va solo verso la resistenza R4, ma arriva anche sulla resistenza R3, e tramite quest’ultima sul condensatore C1.
L’effetto è che il condensatore C1 inizierà a caricarsi, quindi la tensione ai suoi capi inizierà a salire, in pratica la tensione sul pin2 inizierà a salire portandosi dallo 0V verso Vcc.
In questa situazione abbiamo quindi pin3 a 9,5V e pin2 con tensione in salita da 0V verso Vcc, questo significa che l’uscita Pin1 rimarrà alta fin tanto che la tensione in salita sul pin2 non supererà la soglia di 9,5V sul pin3. Appena ciò avviene si avrà che la tensione sul pin2 diventa superiore a quella sul pin3 con la conseguenza che l'uscita del comparatore passa a livello basso, ovvero 0V.

In questa nuova situazione, succede che il condensatore C1 non può più caricarsi, di fatto si viene a trovare collegato tra lo 0V di alimentazione, e tramite la resistenza R3 ad una tensione prossima ai 0V sull’uscita del pin1, non solo non può più caricarsi, ma inizierà pure a scaricarsi, con la conseguenza che la tensione ai suoi capi, e quindi anche sul pin 2, inizierà a scendere verso lo 0V.
Con l’uscita pin1 di circa 0V, oltre alla scarica del condensatore, succede pure che la resistenza R4 adesso non può più portare corrente verso il pin3, ma al contrario inizierà ad assorbire corrente da quel punto, con la conseguenza che la tensione proveniente dal partitore subirà un abbassamento, se prima riusciva ad iniettare in quel punto circa 3,5V, adesso invece se li porta via, la tensione sul partitore e quindi sul pin3, scenderà adesso a circa 2,5V.

La nuova situazione, vede la tensione sul pin2 in discesa verso lo 0V, e la tensione sul pin3 stabile a circa 2,5V, questo significa che l’uscita pin1 del partitore permarrà bassa fino a quando la tensione sul pin2 non scenderà sotto i 2,5V.

Non appena ciò avviene, e quindi si verifica la condizione che la tensione sul pin3+ è più alta della tensione sul pin2-, il nostro comparatore riporterà la sua uscita a livello alto, riportandoci quindi ad una situazione iniziale, dove grazie alla resistenza R4, la tensione sul pin 3 verrà nuovamente riportata a circa 9,5V, e grazie alla resistenza R3 il condensatore potrà nuovamente iniziare a caricarsi.

Avrete quindi capito questo ciclo si ripeterà all’infinito, con il condensatore che si carica e si scarica ciclicamente, la tensione ai suoi capi, prima salirà e poi scenderà ripetutamente, dando origine al grafico sotto.

Grafico2

Sopra vediamo la tensione sul condensatore C1 che segue la curva caratteristica di carica e scarica di un condensatore.
Si parte da una condizione iniziale di condensatore completamente scarico quindi tensione uguale a 0V.

Con il passare del tempo il condensatore si carica, la sua tensione sale fino a raggiungere la soglia di circa 9,5V dove abbiamo visto che il comparatore interviene portando la sua uscita a livello basso.
Il condensatore quindi inizia a scaricarsi, con il passare del tempo la sua tensione scende fino alla soglia di circa 2,5V dove abbiamo visto che il comparatore nuovamente interviene riportando la sua uscita a livello alto.
Il ciclo sopra descritto, si ripete all’infinito con tensione che sale fino a 9,5V e poi scende fino a 2,5V per poi nuovamente risalire.

Il segnale così ottenuto è una delle classiche forme conosciute in elettronica con il nome dente di sega, la tensione infatti disegna una forma che ricorda appunto i denti di una sega.
In pratica la prima sezione del circuito, serve a generare un segnale a dente di sega, da inviare alla seconda parte del circuito, che ora andremo a studiare.

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Nella seconda parte dello schema, entrano in gioco IC1B, anche qua utilizzato come comparatore di tensione, il trimmer R5 da 470K, ed la fotoresistenza R6.
Ricordo che la fotoresistenza, è un componente in grado di cambiare la sua resistenza interna in funzione della luce che lo colpisce, la fotoresistenza in oggetto presenta ai suoi capi una resistenza di pochi Kohm quando è posta in piena luce, e oltre 500 Kohm quando è praticamente la buio.
Dallo schema si vede che il trimmer R5 e la fotoresistenza R6, sono collegate a formare un partitore di tensione, la cui uscita è collegata sul pin5.
Supponiamo adesso a di aver regolato il trimmer R5 a metà corsa, quindi ai suoi capi sarà presente una resistenza di 470K / 2= 235K, e supponiamo che la fotoresistenza sia sufficientemente illuminata in modo da presentare ai suoi capi una resistenza di 15K, in questa situazione in uscita dal partitore e quindi in ingresso sul pin5 sarà presente una tensione di:

V=R6/(R5+R6) x Vcc

V=15000/(235000+15000)x12 → 15000/250000x12 → 0,06x12 = 0,72V

Sul pin6 invece è presente il nostro segnale a dente di sega, che ricordo oscilla da un valore minimo di 2,5V ad una valore massimo di 9,5V, questo significa che sul pin6 - ci sarà sempre una tensione superiore rispetto al pin5 +, e quindi l’uscita pin7, del comparatore rimarrà costantemente bassa.

Ricordando che man mano che cala la luce che colpisce la fotoresistenza, il suo valore resistivo sale, supponiamo che la luminosità sia scesa al punto che la fotoresistenza presenti un valore di 100K, in questa situazione sul pin 5 ci ritroveremmo una tensione di:

V=R6/(R5+R6)xVcc

V=100000/(235000+100000)x12 → 100000/335000x12 → 0,3x12=3,6V

Sul pin6 c’è sempre il segnale che oscilla tra un minimo di 2,5V ed un massimo di 9,5V, e adesso con una tensione sul pin5 di 3,6V succede che per un piccolo lasso di tempo si verifica la condizione in cui l’ingresso pin5 + , è superiore all’ingresso pin6 -, con la conseguenza che in questo piccolo lasso di tempo l’uscita del comparatore pin7 si porterà a livello alto.

Grafico4

Nel grafico sopra, è riportata in blu una parte del segnale a dente di sega presente sul pin6, in rosso invece la tensione di 3,6V presente sul pin5, come si vede la tensione sul pin 6 è quasi sempre superiore alle tensione sul pin5, mantenendo quindi l’uscita del comparatore a livello basso, ma ci sono dei punti, (colorati in giallo) dove la tensione sul pin6 scende sotto la soglia di 3,6V presenti sul pin5, e per tutto il tempo in cui questa situazione si verifica, l’uscita pin7 del comparatore passa da livello basso a livello alto.

Con l’avanzare del buio, la fotoresistenza assumerà un valore sempre maggiore, la tensione sul partitore sarà allora sempre più alta, e quindi il tempo in cui la tensione sul pin6 scende sotto alla soglia sarà via via sempre più ampio.

Animazione

Sopra ho creato una animazione dove si vede in blu il nostro segnale a dente di sega presente sul pin6, in rosso la tensione proveniente dal partitore che cambia con il cambiare della luce che colpisce la fotoresistenza, e in verde ho evidenziato il tempo in cui l’uscita del comparatore permane a livello alto.
Di fatto il segnale in verde ottenuto sull’uscita pin7, non è altro che un segnale pwm, che modifica il suo duty-cycle, al variare della tensione presente sul pin5.
Adesso, tramite la resistenza R7, basta inviare tale segnale sulla base del transistor Q1, per pilotare il nostro carico con un pwm variabile in base alla quantità di luce che colpisce la fotoresistenza.

Il trimmer R5, permette di modificare la soglia del partitore, quindi far iniziare l’accensione con più o meno luce, dai calcoli effettuati, regolando il trimmer R5 a metà corsa, il carico inizia ad accendersi quando la fotoresistenza assume un valore di circa 70K, ed è completamente acceso quando la fotoresistenza arriva ad avere un valore di circa 800K.
Regolando ad esempio il trimmer ad 1/3 della sua corsa, il nostro carico inizierà ad accendersi quando la fotoresistenza assumerà un valore di 35K, quindi con più luce rispetto a prima, e sarà completamente acceso con un valore di circa 600K.

Il diodo D1, collegato in antiparallelo all’uscita serve per cortocircuitare ed eliminare eventuali disturbi provenienti dal carico.

Vi lascio quindi il pcb già pronto per essere stampato, e lo schema di montaggio.

Autoregolatore_pcb
Pcb in formato pdf


Autoregolatore_mount

Ed infine la lista componenti.

R1,R2 = 47K
R3,R7 = 1K
R4 = 10K
R5 = trimmer 470K
R6 = fotoresistenza
C1 = 1uF elettrolitico 25V
IC1 = Lm358
D1 = 1N4007
Q1 = Bdx53
J1,J2 = Morsetto 2 poli


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