Temporizzatore

Vediamo in questo articolo, come realizzare un semplice temporizzatore funzionante a 12V.
Il circuito è molto semplice, e permette di accendere una lampada a 12V grazie alla pressione di un pulsante, e di farla rimanere accesa per diversi secondi, anche dopo aver rilasciato il pulsante.

In rete troverete migliaia di circuiti di temporizzatori, più o meno complessi, che permettono di mantenere accesa la lampada anche per diversi minuti se non ore.
Il circuito proposto, tuttavia dalla sua parte ha la semplicità, utilizza solo 4 componenti, e si presta bene ad essere utilizzato come didattica, infatti lo scopo di questo articolo è studiare assieme il circuito cercando di capirne il funzionamento di ogni singolo componente.

Sopra vediamo lo schema del circuito in questione, dove sono presenti un pulsante, una resistenza da 100 ohm, un condensatore da 220uF 16V, una altra resistenza da 22k, un transistor npn bdx53, ed infine la lampada da 12v.

Dovete sapere, che ogni circuito elettronico, pur complesso che sia, alla fine è sempre composto da tanti piccoli circuiti, o sezioni, ognuna con la propria funzione.

Il circuito di cui sopra, lo possiamo dividere in 2 sezioni, la prima composta da pulsante, resistenza, e condensatore, che ho cerchiato in verde, e la seconda composta da resistenza, transistor e lampada, che ho cerchiato in rosso.

Prendiamo in esame la prima sezione del circuito, premendo e quindi chiudendo il pulsante, facciamo arrivare tensione alla resistenza e quindi tramite essa pure al condensatore.
Abbiamo visto nell'articolo riguardante il condensatore, che questo può essere visto come un recipiente che si riempie, e abbiamo pure visto che il tempo che impiega a riempirsi, dipende dalla corrente che vi scorre dentro, limitata quindi dalla resistenza.

Abbiamo altresì visto che esiste pure una formula per calcolare questo tempo, T=RxC dove T ovviamente è il tempo espresso in secondi, R è il valore della resistenza in Ohm, e C è il valore del condensatore espresso in Farad.

Un microfarad è la milionesima parte del farad, 1 uf= 0,000001F, quindi 220 uf corrispondono a 0,00022 F, applicando tali valori alla formula otteniamo:

T=RxC T=100x0,00022 T=0,022 secondi.

Abbiamo calcolato che il nostro condensatore si carica in 22 centesimi di secondo, praticamente in un attimo.
In realtà la formula di cui sopra, è il tempo richiesto per caricare il condensatore attraverso il resistore, al 63,2% della sua capacità di carica totale, perché purtroppo poi, il tempo che impiega il condensatore, a caricarsi dal 63,2% al 100% è variabile da condensatore a condensatore, quindi non può esistere una formula precisa valida per tutti i condensatori.
Tuttavia, nella grande maggioranza dei casi, moltiplicando il valore ottenuto dalla formula per 2,2, otteniamo il tempo che impiega il condensatore a caricarsi fino al 90%

Ricordo che un condensatore scarico, si comporta come un circuito chiuso, man mano che si carica, si lascia attraversare sempre da meno corrente, fino a quando è completamente carico, e si comporta come un circuito aperto

Ne deriva quindi, che nel punto contrassegnato dalla lettera A, la tensione sarà nel primo istante 0V, in quanto il condensatore scarico, si comporta come un circuito chiuso, e quindi il punto A è come se fosse collegato direttamente a massa, poi, man mano che il condensatore si carica, aumenta anche la tensione, fino ad arrivare a 12V quando il condensatore è completamente carico.

Volendo possiamo pure vedere il grafico di carica del condensatore da 200uF, alimentato con tensione 12V ed una resistenza da 100 ohm.
In pratica il condensatore come calcolato si carica al 63% in 22centesimi, arriva ad una carica del 90% dopo circa 50 centesimi, e completa la sua carica dopo circa 1 decimo di secondo.

Teoricamente avremmo pure potuto utilizzare una resistenza più bassa, e quindi accorciare ancora di più i tempi di carica, ma diminuire la resistenza, significa si accorciare il tempo di carica, ma significa pure far aumentare la corrente di carica.
Con una resistenza da 100 Ohm, abbiamo una corrente di I=V/R I=12/100=0,12A o 120mA, e dato che il tempo di un decimo di secondo, mi sembra ragionevolmente basso, ho ritenuto inutile utilizzare correnti più elevate, per diminuire i tempi di carica.

Osservando il grafico sopra, possiamo vedere l'andamento della tensione nel punto A, e quindi l'andamento della tensione che tramite la resistenza da 22k arriva al transistor.

Passiamo ad esaminare la seconda sezione del circuito, che altro non è che un transistor, che accende una lampada, grazie alla sua resistenza di polarizzazione sulla base, niente di più di ciò che abbiamo già discusso nell'articolo riguardante appunto il transistor.

Nell'articolo sul transistor avevamo utilizzato un bd239 con amplificazione hfe uguale a 100, qua invece utilizziamo un transistor bdx53 che ha una amplificazione nettamente superiore.

Questo ci consente di comandare la nostra lampada con una corrente sufficientemente bassa sulla base, e quindi di utilizzare una resistenza di base abbastanza alta.

Consultiamo il datasheet del transistor, prendendo come valore standard una lampada da 500mA, e ripetiamo i passi già visti nell'articolo sul transistor.
Come prima cosa tramite l'apposito grafico, troviamo che l'amplificazione con una corrente IC di 500mA o 0,5A, è di circa 3000, a questo punto calcoliamo la corrente di base 0,5/3000=0,16mA che come abbiamo visto per sicurezza moltiplichiamo per 3 e otteniamo 0,5mA.

Adesso sempre con il datasheet tra le mani, andiamo a vedere quanto è la tensione Vbe di base, per un carico di 500mA, e troviamo che è circa 1,4V.

Ora consociamo la Vbe del transistor, e sappiamo che la tensione di pilotaggio è di 12V, calcoliamo che sulla resistenza di base dovranno cadere 12-1,4=10,6V

Arrivati a questo punto, sapendo che sulla resistenza di base devono cadere 10,6V e che sulla base devono arrivare 0,5mA, con la legge di ohm ci calcoliamo il valore della resistenza.

R=V/I R= 10,6/0,0005 R=21.200

Scegliamo una resistenza di valore commerciale, più vicino, e troviamo 22k.

Bene adesso quando premiamo il pulsante, in un attimo nel punto A, troviamo una tensione di 12V, e grazie alla resistenza riusciamo a polarizzare il transistor, e a far accendere la lampada.

Ma cosa accade quando rilasciamo il pulsante?

Accade che il condensatore che si era caricato grazie alla resistenza da 100 ohm, adesso non è più alimentato, e quindi inizia a scaricarsi tramite sempre la resistenza da 100 Ohm, ma sopratutto tramite la resistenza da 22k e la base del transistor.

La tensione nel punto A, inizia a scendere lentamente, con andamento contrario a quello di carica. Prima il condensatore caricatosi attraverso una resistenza da 100 Ohm, per completare la carica ha impiegato 1 decimo di secondo, adesso invece scaricandosi attraverso una resistenza da 22K, impiegherà un tempo maggiore.

Il condensatore si scarica attraverso la resistenza da 22K, la resistenza da 100 Ohm, e la resistenza interna al transistor, ma tralasciando queste ultime, che comunque sono trascurabili rispetto ai 22K della resistenza di base, possiamo approssimare che se prima con 100 ohm il transistor ha impiegato 1 decimo di secondo per caricarsi, adesso con una resistenza di 22k quindi 220 volte più grande, impiegherà un tempo di 220 decimi di secondo ovvero 22 secondi.

Questo spiega pure perché è stato scelto un bdx53, ovvero un transistor con amplificazione elevata, dove si è potuto utilizzare per la resistenza di base un valore elevato, quindi da permettere poi una lenta scarica del condensatore.

Se avessimo ad esempio utilizzato il bd239, con hfe uguale a 100, avremmo dovuto utilizzare una resistenza sulla base di 270 Ohm, e il condensatore poi si sarebbe scaricato in un paio di secondi.

Vien da se, che il transistor non verrà interdetto subito, appena viene rilasciato il pulsante, ma grazie alla lenta scarica del condensatore, sulla base del transistor continuerà a fluire corrente, che permetterà al transistor di rimanere saturato ancora per un po di tempo.

Man mano che la tensione nel punto A diminuisce, ovviamente diminuisce pure la corrente che attraversa la base, e quindi il transistor passerà dalla zona di saturazione, alla zona lineare o attiva, con la conseguenza che la lampada inizierà a perdere luminosità, sempre di più fino a spegnersi completamente.

Dal grafico sopra, possiamo vedere che la tensione andrà via via scemando, comunque una lampada da 12V emette ancora sufficiente luce anche con una tensione di circa 5V, quindi possiamo dire che il nostro temporizzatore, ci permette di avere ancora luce per una decina di secondi e forse qualcosa di più.

Nessuno comunque ci vieta di aumentare la capacità del condensatore, e quindi aumentare pure i tempi.

Con un condensatore da 470uF quindi quasi il doppio, questo si caricherà completamente in circa il doppio del tempo quindi 200 millisecondi, ma si scaricherà pure nel doppio del tempo, facendo rimanere accesa lampada per circa 20 secondi.

Aumentando ancora di più la capacità, ad esempio con un condensatore da 1000uF avremmo che questo si caricherà con un tempo di circa 4 volte maggiore rispetto al condensatore da 220uF, quindi impiegherà 400mS per caricarsi completamente, (tempo ancora basso, ma che comunque possiamo pure dimezzare, dimezzando il valore della resistenza da 100 Ohm , utilizzando ad esempio un valore di 47 Ohm), e si scaricherà con un tempo 4 volte maggiore, un tempo di scarica di oltre 40 secondi.

In pratica il circuito basa tutto il suo funzionamento sulla carica e successiva scarica di un condensatore, facendo in modo di caricare il condensatore in maniera molto veloce, tramite una piccola resistenza in serie ad esso, e successivamente di scaricarlo lentamente su una più grande resistenza, posta sulla base di un transistor.

Adesso non dobbiamo dimenticarci, che il transistor, sarà per la maggior parte del tempo di scarica, utilizzato nella sua zona lineare, o attiva.
Abbiamo visto nella seconda parte dell'articolo riguardante il transistor, che la zona attiva è un po' ostica in quanto il transistor si trova a dover dissipare la tensione in eccesso in calore.

Ad esempio quando la tensione sulla lampada è di 6V, i rimanenti 6V cadono sul transistor, sempre sull'articolo del transistor, abbiamo pure visto che ad esempio una lampada da 12V 500mA presenta una resistenza di 24 Ohm (R=V/I), quindi con 6V sulla lampada, su questa e quindi pure sulla giunzione emettitore-collettore del transistor circolano I=V/R I=6/24 I=250mA.

Questo significa che sul transistor cadono 6V e circolano 250mA, quest'ultimo deve dissipare in calore una potenza di P=VxI P=6x0,25 P=1,5W.

Quando invece ad esempio sulla lampada ci sono 9V, circolano I=V/R I=9/24 I=375mA, ma se sulla lampada arrivano 9V significa che sul transistor cadono solo i rimanenti 3V, quindi quest'ultimo deve dissipare una potenzia di P=VxI P=3x0,375 P=1,125W

Infine facciamo un ultimo esempio, quando sulla lampada arrivano solo 3V su quest'ultima circolano I=V/R I=3/24 I=125mA, ma se sulla lampada arrivano solo 3V significa che i rimanenti 9V cadono sul transistor, e quindi quest'ultimo deve dissipare una potenza di P=VxI P=9x0,125 P=1,125W.

Da questi esempi, abbiamo capito che il caso peggiore, lo si ha quando sul transistor cade la metà della tensione, e quindi si ha pure la metà della corrente, perché quando aumenta la tensione che cade sul transistor, diminuisce la corrente e quindi si ha una potenza minore, viceversa, se aumenta la corrente diminuisce la tensione e quindi nuovamente abbiamo una potenza da dissipare inferiore.

Allora dato che il caso peggiore lo abbiamo con tensione uguale alla metà di quella massima, ovvero 6V, abbiamo già calcolato che per una tensione di 6V il transistor di trova a dover dissipare una potenza di 1,5W.

Fortunatamente il nostro bdx53 ha una Rjc di soli 2,08 C°/W, e comunque rimane nella situazione peggiore solo per alcuni secondi, quindi possiamo pure utilizzare il più piccolo dissipatore disponibile per package TO220.

Data la semplicità del circuito, non ho disegnato nessun pcb, i componenti possono essere saldati, direttamente su una basetta millefori.