Crepuscolare
Vediamo in questo articolo un circuito con la funzione di crepuscolare o interruttore crepuscolare.
L'interruttore crepuscolare come ben saprete, è un circuito in grado di pilotare un carico, normalmente accendere o spegnere una lampada, in base alla luminosità ambiente.
Vien da se che un circuito di questo tipo, dovrà avere un sensore o trasduttore, in grado di rilevare la luminosità ambiente, ed infatti questo circuito affida tale compito ad un fotoresistore, o fotoresistenza.
La fotoresistenza, è uno speciale resistore, in grado di variare il suo valore in funzione della luminosità, è conosciuto anche con il nome di LDR dall'inglese Light Depender Resistor, che tradotto significa appunto resistore dipendente dalla luce.
Normalmente il valore di una fotoresistenza, varia da poche centinaia di Ohm in piena luce, a circa 1 Mega Ohm, quando posta completamente al buio, come mostrato nel grafico sotto.
C'è subito da premettere, che esistono diversi tipi, e valori di fotoresistenze, normalmente il valore fornito, è il valore che assume la fotoresistenza quando posta ad una illuminazione di 10lux.
Il grafico sopra ad esempio è riferito ad una fotoresistenza da 20k, dove quindi a 10 lux che è all'incirca la luminosità che troviamo al crepuscolo, la fotoresistenza assumerà un valore di circa 20k.
Adesso che abbiamo individuato il componente elettronico sensibile alla luminosità, possiamo disegnare il circuito elettronico.
La prima sezione del circuito che incontriamo, è appunto il partitore di tensione costituito dalla nostra fotoresistenza Fr1, ed una resistenza R1 di valore fisso, in questo caso di 22k.
Oramai dovremmo sapere come funziona un partitore di tensione, ma per chi ancora non lo sapesse, la tensione in uscita dal partitore, quella che nello schema raggiunge l'ingresso V- di U1 è uguale a:
Vout=R1/(Fr1+R1)xVcc
Fr1 però non ha un valore fisso, ma come si vede dal grafico poco sopra, oscilla da un minimo di 0,1k ad un massimo di 1000k
A questo punto supponendo di alimentare il nostro circuito con una tensione di 12V dc, possiamo calcolare i 2 valori di tensione minimo e massimo forniti dal partitore:
Piena luce=R1/(Fr1+R1)xVcc → 22/(0,1+22)x12 → 22/22,1x12 → 0,995x12=11,94V
Completamente buio=R1/(Fr1+R1)xVcc → 22/(1000+22)x12 → 22/1022x12 → 0,002x12=0.02V
In conclusione possiamo dire che la tensione in uscita dal partitore, oscilla da un minimo di circa 0V, quando è completamente buio, ad un massimo di circa 12V, quando la fotoresistenza è completamente illuminata.
Tale tensione, viene inviata all'ingresso V- del solito amplificatore operazionale U1 , utilizzato ancora una volta come comparatore di tensione.
Per chi ancora non lo sapesse, tale circuito integrato, attiva la sua uscita quando la tensione presente sull'ingresso V+ è maggiore della tensione presente sull'ingresso V-, ed ovviamente disattiva l'uscita quando la tensione sull'ingresso V+ è minore della tensione presente sull'ingresso V-.
A questo punto basta generare un altra tensione da inviare all'ingresso V+ di U1, in modo da avere una tensione di soglia, sotto la quale l'uscita di U1 va alta e quindi attiva l'uscita.
Tale tensione viene ottenuta tramite il potenziometro P1 in questo caso da 100K, che collegato in quel modo premette di ottenere una tensione regolabile da un minimo di 0V ad un massimo di Vcc quindi nel nostro caso 12V.
Aggiungo che il valore del potenziometro non è un valore critico, qualsiasi potenziometro collegato tra Vcc e Gnd, permette di ottenere in uscita un valore di tensione regolabile tra 0V e Vcc.
Ovviamente se utilizzassimo un potenziometro di valore troppo basso, quest'ultimo sarebbe attraversato da una corrente elevata, infatti la legge di Ohm ci insegna che I=V/R, quindi se ad esempio utilizzassimo un potenziometro da 10 ohm, quest'ultimo sarebbe attraversato da una corrente di I=V/R→ I=12/10 → I=1,2A corrente che distruggerebbe il potenziometro.
Tornando alla tensione prelevata dal nostro potenziometro, ammettiamo di regolarlo a metà corsa.
Se con potenziometro ruotato tutto da una parte ottengo 0V, e potenziometro ruotato tutto dalla parte opposta ottengo 12V, ad intuito posso calcolare che con potenziometro ruotato a metà corsa otterrò una tensione di 6V.
Infatti un potenziometro da 100K regolato esattamente a metà corsa, è come se fossero 2 resistenze da 50k, collegate tra di loro, dove al centro prelevo la mia tensione, e siccome abbiamo già visto la formula per calcolare la tensione proveniente da un partitore, possiamo calcolare che la tensione di un partitore composto da 2 resistenze da 50k è uguale a:
Vout=R2/(R1+R2)xVcc → 50/(50+50)x12 → 50/100x12 → 0,5x12=6V
In pratica con potenziometro regolato a metà corsa invio all'ingresso V+ una tensione di 6V.
In questa situazione ammettiamo che la fotoresistenza sia posta ad una luminosità di 10 lux, dal grafico posso vedere che tale fotoresistenza presenta una resistenza di circa 20K, e quindi posso calcolare che la tensione in uscita dal partitore è uguale a:
Vout=R1/(Fr1+R1)xVcc → 22/(20+22)x12 → 22/42x12 → 0,523x12=6,27V
In questa situazione allora V+ che si trova a 6V è minore di V- che si trova a 6,27V, per cui l'uscita di U1 si trova a 0V.
Adesso poniamo che viene leggermente più buio, la luminosità passa da 10 lux a 9 lux, dal grafico anche se non si vede tanto bene, possiamo abbozzare che con 9 lux la fotoresistenza presenti un valore di 25k.
Con questo valore di 25K all'uscita del partitore di tensione otteniamo una tensione di:
Vout=R1/(Fr1+R1)xVcc → 22/(25+22)x12 → 22/47x12 → 0,468x12=5,61V
In questa nuova situazione, la tensione in uscita dal potenziometro, e quindi sull'ingresso V+ è sempre di 6V, perché nessuno ha toccato il potenziometro, mentre invece la tensione proveniente dal partitore R1-Fr1 e quindi la tensione presente sull'ingresso V- adesso è uguale a 5,61V.
La tensione sull'ingresso V+ è maggiore della tensione presente sull'ingresso V-, e la conseguenza è che l'uscita di U1 si porta a circa Vcc, attivando il transistor che pilota il relè.
In tutto questo non vi sarà sfuggita la resistenza R2, collegata tra l'uscita di U1, e l'ingresso V+.
Questa resistenza, è detta resistenza di isteresi o semplicemente isteresi, e serve a modificare leggermente la tensione presente sull'ingresso V+, in funzione dell'uscita.
In poche parole, quando l'uscita di U1, è a 0V tale resistenza abbassa di qualche decimo di volt la tensione presente sull'ingresso V+, viceversa quando l'uscita di U1 è a attiva quindi Vcc, tale resistenza aumenta di qualche decimo di volt la tensione presente sull'ingresso V+.
Se non vi fosse questa resistenza, quando le tensioni presenti sugli ingressi V+ e V- sono circa uguali, si entrerebbe in una situazione critica, dove l'uscita di U1, potrebbe cambiare più volte il suo stato, fino a quando una tensione non è sicuramente più alta dell'altra.
Utilizzando invece una resistenza di isteresi, appena l'uscita di U1 si attiva, la tensione di uscita viene tramite questa resistenza riportata sull'ingresso dove è già presente la tensione proveniente dal potenziometro, con la conseguenza che tale tensione verrà aumentata di valore.
La stessa cosa succede pure con l'uscita di U1 disattiva, la resistenza R2 di isteresi è sempre li presente, solo che in questo caso, essendo l'uscita di U1 praticamente prossima a 0V, tale resistenza si viene a trovare collegata tra il potenziometro e lo 0V, e la conseguenza è che in questo caso, la tensione proveniente dal potenziometro verrà diminuita di valore.
Se con il potenziometro regolato a metà corsa avevamo calcolato una tensione sul pin V+ di 6V, in realtà dobbiamo un pochino rivedere le cose, scegliendo per R2 un valore di 470K, succede che la tensione proveniente dal potenziometro viene modificata di circa 0,3V.
Più precisamente con il potenziometro regolato a metà corsa, quando l'uscita di U1 è disattiva, troveremo sull'ingresso V+ una tensione di circa 5,7V, mentre invece quando l'uscita di U1 si attiva, troveremo sull'ingresso V+ una tensione di circa 6,3V.
Adesso non ci potranno essere più situazione critiche, infatti con lo scendere dalla luminosità, scende pure la tensione proveniente dal partitore Fr1 - R1, e appena tale tensione scende sotto la soglia di 5,7V, l'uscita di U1 si attiva, e la tensione di riferimento sul pin V+ passa immediatamente da 5,7V a 6,3V.
Non c'è più incertezza, la tensione sull'ingresso V+ diventa immediatamente più alta della tensione sull'ingresso V-, e quindi l'uscita rimane sicuramente attivata.
Adesso che abbiamo l'uscita del nostro U1 che si attiva e disattiva in base alla luminosità ambiente, ed in base anche alla soglia impostata dal potenziometro P1, non ci resta che pilotare un transistor tramite al resistenza R3, transistor che a sua volta comanda l'eccitazione e diseccitatone del relè.
Avendo il relè un contatto pulito, può tranquillamente essere utilizzato per pilotare una lampada funzionate anche a tensione di rete 220V.
Infine il diodo D1, serve solamente come protezione, per smorzare una eventuale extra tensione, che si dovesse sprigionare dalla bobina nel momento in cui il relè si diseccita.
Come sempre ho pensato di disegnare pure un pcb, in modo da facilitare il compito a chi volesse provare a costruire tale circuito, già pronto per essere stampèato ed utilizzato.
R1=22K
R2=470K
R3=1K
P1=100K
Fr1=Fotoresistenza 20k
D1=1N4148
Tr1=BC237
U1=LM358
Rl1=Relè 12V Tipo finder 30.22
J1 morsettiere 2 poli
J2 morsettiera 3 poli
Sopra lo schema di montaggio, avrete notato che la morsettiera J2 ha 3 contatti, questo perchè il relè ha un contatto in scambio.
Il contatto in alto verso J1 è il comune, il contatto al centro è normalmente chiuso, in pratica attivo di giorno (lo si può utilizzare qualora si necessiti di acceendere qualcosa quando viene giorno), il contatto in basso è quello da utilizzare per accendere la lampada quando scende la notte.