Lampeggiatore strobo
Propongo il progetto di un lampeggiatore doppia luce, con effetto strobo.
Il progetto è a scopo didattico, può essere utilizzato per modellismo, o con l’aggiunta di un transitor, pilotare lampade o led più potenti, per costruire un doppio lampeggiatore strobo per varie esigenze.
Il circuito è composto da 2 integrati, e qualche componente di contorno, tutti componenti elettronici che abbiamo già conosciuto nella sezione elettronica, dove potete andare a leggere il loro funzionamento.
Il circuito si basa sull’integrato CD4017, un contatore che attiva le uscite in sequenza, per ogni impulso di clock che arriva sul suo ingresso 14.
Quindi quando è attiva l’uscita Q0 pin 3, questa tramite il diodo D1, e la resistenza R5 accenderà il led2.
La resistenza R5 come pure la R4, sono necessarie per limitare la corrente che scorre nei relativi led, in questo modo oltre a proteggere il led da corrente eccessiva, si fa in modo di non assorbire troppa corrente dalle uscite dell’integrato CD4017.
Oramai grazie alle legge di Ohm, non dovremmo avere difficoltà a calcolare il valore delle resistenze R4 e R5, comunque ripetiamo velocemente i calcoli.
Supponendo di alimentare il circuito a 12V, e di utilizzare led che funzionano con una tensione di 1,8V, dovremmo fare in modo che sulle resistenze cadano:
12V-1,8V=10,2V
Adesso sapendo quanti volt devono cadere sulle resistenze, basta decidere quanti mA vogliamo far scorrere sui nostri led, io per non caricare troppo le uscite del cd4017, ho deciso per una corrente di 10mA, quindi applicando la legge di ohm I=V/R possiamo calcolare il valore di:
I=10,2V / 0,01A=1020 Ohm
Per R4 ed R5 possiamo quindi utilizzare il valore commerciale di 1000 ohm ovvero 1K.
I diodi invece sono necessari, perché come si vede dallo schema ho collegato assieme 2 uscite, e per evitare che quando una uscita attiva, riversi corrente sull’altra uscita ad essa collegata, ho messo un diodo su ogni uscita collegata, che come abbiamo visto nell’articolo relativo al diodo, riesce a far scorrere corrente in un solo verso.
Per capirci, quando è attiva l’uscita Q0 pin3, il diodo D1 polarizzato direttamente, lascia passare la corrente verso la resistenza R5, ma anche verso il diodo D2, se non ci fosse il diodo D2 la corrente potrebbe tornare verso l’uscita Q3 pin7, creando problemi all’integrato, perché una uscita è fatta per erogare corrente, ma non per ricevere corrente.
Grazie ai diodi le uscite sono al sicuro, i diodi lasciano passare corrente dalle uscite verso le resistenze, ma non il contrario.
Siamo quindi nella condizione in cui l’uscita Q0 pin 3 accende il led2.
Appena arriva un impulso sull’ingresso di clock pin 14, il Cd4017 cambia uscita, si disattiva Q0 e si attiva Q1, il led2 quindi si spegne, ed essendo l’uscita Q1 scollegata non succede nulla.
Stessa cosa al successivo impulso, l’uscita Q1 si disattiva e l'uscita Q2 si attiva, ma essendo anch’essa scollegata i led continuano a rimanere spenti.
Ad un successivo impulso, anche l’uscita Q2 si disattiva, e si attiva l’uscita Q3, adesso questa uscita grazie al diodo D2 e la resistenza R5 può nuovamente far accendere il led2, il successivo impulso poi disattiverà l'uscita Q3 e attiverà l’uscita Q4, con relativo spegnimento del led2.
Il ciclo continua per ogni impulso che arriva sull’ingresso 14 di clock, quindi uscita Q5 che attiverà adesso il led1, poi le uscite Q6,Q7 dove il led saranno tutti spenti, uscita Q8 che accenderà nuovamente il led1, ed infine uscita Q9 che spegnerà il led1.
Finito il ciclo, al successivo impulso tutto ricomincerà da capo.
Facendo in modo di inviare sul pin di clock ad esempio un impulso ogni decimo di secondo, avremmo il led2 acceso per 1 decimo (Q0 attiva), spento per 2 decimi di secondo (Q1,Q2attive), nuovamente acceso per 1 decimo di secondo(Q3 attiva) , spento 1 decimo(Q4 attiva).
La stessa sequenza avverrà per l’altro led1, acceso per 1 decimo(Q5 attiva) spento 2 decimi(Q6,Q7 attive), acceso per 1 decimo (Q8 attiva) e spento 1 decimo (Q9 attiva).
In pratica in 1 secondo avremmo 2 lampeggi di un led e 2 lampeggi dell’altro led, ottenendo così un effetto strobo a doppia luce.
Sotto un immagine animata di quanto spiegato poco sopra.
Infine una immagine animata a velocità reale, simulando l’effetto che si potrebbe ottenere.
Abbiamo parlato fino adesso di impulsi sul pin14, e come potete vedere dallo schema tali impulsi provengono dall’uscita 3 dell’integrato NE555.
Il 555 infatti si occupa proprio di generare gli impulsi, ne abbiamo già studiato il suo funzionamento nella sezione elettronica articolo ne555, e se andate a vedere lo schema alla fine di quell’articolo, potete vedere che è praticamente uguale alla configurazione utilizzata per questo lampeggiatore, unica differenza l’aggiunta in serie a R2, di un trimmer R3, per il semplice fatto che voglio poter modificare il tempo di carica e scarica del condensatore C1, in modo da poter variare il tempo che intercorre tra un impulso ed il successivo, ed ottenere così un lampeggio più lento o più veloce.
Riassumo brevemente quanto spiegato nell’articolo del ne555, in pratica l’uscita 3 si attiva quando sul pin 2 è presente una tensione inferiore a 1/3 di quella di alimentazione, e si disattiva quando sul pin 6 è presente una tensione superiore a 2/3 di quella di alimentazione.
Supponendo di alimentare il 555 con una tensione di 12V, ed essendo i pin 2 e 6 collegati assieme, possiamo dire che l’uscita si attiva quando sui pin 2 e 6 è presente una tensione inferiore a 4V, e si disattiva quando la tensione è superiore a 8V.
I pin 2 e 6, sono collegati sul polo positivo di un condensatore, e tale condensatore è alimentato, e quindi caricato tramite la serie di resistenze R1, R2, R3.
Come abbiamo visto sull’articolo il condensatore, quando è alimentato in questa situazione inizia a caricarsi, e man mano che si carica, la tensione ai suoi capi inizia a salire, da 0V (condensatore completamente scarico) salirà lentamente verso la Vcc , nel nostro caso 12V.
Succede quindi che quando alimentiamo il circuito, la tensione sui pin 2 e 6 sarà inizialmente 0V, (condensatore completamente scarico), questo causa l’immediata attivazione dell’uscita pin3, (tensione sul pin 2 minore di 4V) man mano che passa il tempo però il condensatore si può caricare, la tensione sui pin 2 e 6 quindi salirà fino a superare gli 8V, questo causa la disattivazione dell’uscita 3 (tensione sul pin 6 maggiore di 8V).
Adesso entra in gioco l’uscita 7 del 555, tale uscita infatti internamente è collegata ad un transistor che la collega verso massa quando l'uscita 3 si disattiva.
Superati quindi gli 8V sui pin 2 e 6, quando l’uscita 3 del 555 si disattiva, l’uscita 7 andrà verso massa, ed essendo tale uscita collegata tra R1 ed R2, succede che adesso il condensatore non è più collegato al positivo tramite la serie di R1,R2,R3, ma si troverà collegato verso massa tramite la serie R2,R3).
In questa situazione, non solo non può più caricarsi, ma inizierà a scaricarsi, con la conseguenza che la tensione ai suoi capi, inizierà a scendere.
La tensione quindi scenderà fino a quando non tornerà inferiore ai 4V, quando sui pin 2,6 la tensione sarà inferiore ai 4V, l’uscita 3 del 555 tornerà di nuovo attiva, l’uscita 7, smetterà di essere collegata verso massa, si tornerà quindi nella situazione di partenza, con il condensatore che inizierà nuovamente a caricarsi, e la tensione sui pin 2,6 nuovamente a salire.
Il ciclo quindi si ripete all’infinito, e il tempo di carica e scarica è determinato dalle resistenze R2 ed R3, con quest’ultima appositamente regolabile per poter variare il tempo di carica e scarica, e quindi il tempo di attivazione disattivazione dell’uscita 3.
Tutto quanto spiegato sopra, è riprodotto nell’immagine animata qua sotto.
Abbiamo visto nell'articolo sul condensatore, che esiste anche una formula per calcolare in modo approssimativo il tempo di carica e scarica di un condensatore, ovvero T=RxC, dove C è espresso in farad e R in Ohm.
Utilizzando ad esempio un condensatore da 100uF, ovvero 0.0001F, ed una resistenza da 10K ovvero 10.000 Ohm si avrà un tempo di carica di:
10.000x0,0001= 1 secondo.
Volendo tempi più rapidi, si può utilizzare un condensatore più piccolo o anche una resistenza più piccola.
Io per ottenere tempi che possano scendere anche sotto al decimo di secondo, ma possano arrivare anche al secondo, ho optato per un condensatore da 10uF e una serie resistenze con un un trimmer variabile, nello specifico ho stabilito per R1 un valore di 1K, per R2 un valore di 4,7K e per il trimmer R3 un valore di 100K.
In questo modo quando il trimmer è al minimo, la serie di resistenze presenta un totale di:
Rtot.=R1+R2+R3= 1K+4,7K+0K=5,7K
e con un condensatore da 10uF ottengo un tempo di:
T=RxC= 5700ohmx 0,00001F=0,057 secondi poco più di mezzo decimo di secondo.
Regolando invece il trimmer per la sua massima resistenza otteniamo:
Rtot.=R1+R2+R3= 2,2K+4,7K+100K=105,7K
T=RxC= 105700ohmx 0,00001F=1,057 secondi
Per i diodi ho optato per dei semplici diodi 1N4148, ma date le bassi correnti in gioco può essere utilizzato un po' qualsiasi diodo.
Infine ho aggiunto il condensatore C2 tra il pin5, e la massa, trattasi di un condensatore ceramico da 100nF, consigliato dal costruttore.
In effetti dopo testato il circuito proposto, aggiungendo il condensatore sul pin5, ho notato una maggiore stabilità del tutto.
Non rimane che lasciarvi anche il disegno di un eventuale pcb, che posto già invertito per la stampa.
Infine la lista componenti e lo schema di montaggio
R1,R4,R5 = 1K
R2 = 4,7K
R3 = 100K trimmer
C1 = 10uF elettr. 16V
C2 = 100nF multistr.
D1,D2,D3,D4 = 1n4148
Ld1,Ld2 = Led
Ic1 = Ne555
Ic2 = Cd4017
J1 = morset. 2 poli
