Temporizzatore 2
Vediamo di mettere assieme un po' di nozioni viste nella sezione elettronica, e di creare un circuito temporizzatore funzionante a 12V, che permette di mantenere alimentato un qualunque carico, per un tempo regolabile fino a circa 3 minuti e 30 secondi, dopo la pressione di un pulsante.
Il circuito in questione utilizza un relè, quindi presenta un contatto pulito con cui poter pilotare qualsisia tipo di carico, indipendentemente dalla tensione di alimentazione.
Il cuore del circuito è un amplificatore operazionale, utilizzato come comparatore di tensione, la cui uscita pilota un relè, grazie all'utilizzo di un transistor npn.
Come sempre, ogni circuito elettronico, pur complesso che sia, è costituito da tanti piccoli circuiti o sezioni, ognuna con la sua specifica funzione.
Il nostro schema, può essere suddiviso in 4 sezioni, e di seguito andremo ad analizzarle una per una.
Abbiamo detto che il cuore del circuito è l'amplificatore operazionale siglato U1, utilizzato come comparatore.
L'utilizzo come comparatore, è molto semplice, in pratica quando la tensione sull'ingresso V+ è maggiore della tensione sull'ingresso V-, l'uscita si porta a circa Vcc, quindi nel nostro caso circa 12V, viceversa quando la tensione presente sull'ingresso V+, è minore della tensione presente sull'ingresso V-, l'uscita rimane a 0V.
Sfruttando questa caratteristica e facendo in modo che sull'ingresso V+ sia presente un valore di tensione fisso esempio 6V, e sull'ingresso V– sia presente un valore di tensione che da 0V sale lentamente verso Vcc, si avrà che inizialmente l'uscita dell'amplificatore U1 sarà uguale a Vcc, in quanto V+ che è a 6V è maggiore di V- che inizialmente è a 0V.
Essendo che però V- sale lentamente da 0V verso Vcc, si avrà che dopo un certo tempo, questa raggiunge e supera il valore di 6V, e quindi si entra nella situazione in cui V- è maggiore di V+, con la conseguenza che dopo un certo tempo, l'uscita dell'integrato U1 si porta a 0V.
Ovviamente per ottenere ciò, ho bisogno di 2 tensioni, una fissa, ed un altra che da 0V cresce lentamente verso Vcc, ed ecco che entrano in gioco le altre sezioni del circuito.
Per ottenere un valore fisso di tensione, posso semplicemente utilizzare 2 resistenze, che formano un partitore di tensione.
Nel nostro circuito tale compito è affidato al partitore di tensione composto da R2 ed R3.
Il partitore di tensione non è altro che una serie di 2 resistenze collegate tra Vcc e Gnd, dove al centro, nella congiunzione tra le 2 resistenze, si può prelevare un tensione il cui valore è dato da:
R3/(R2+R3)xVcc
Allora se utilizzo una R2 da 10K ed una R3 da 15K, all'uscita del partitore ottengo una tensione di:
R3/(R2+R3)xVcc → 15/(10+15)x12 → 15/25x12 → 0,6x12 = 7,2V
Ecco che da un semplice partitore, posso ottenere un valore fisso di tensione, da inviare all'ingresso V+ del nostro comparatore.
Adesso ci serve un altra tensione che parta da 0V, e salga lentamente verso Vcc, e per ottenere questa tensione, ci affidiamo ad un altra sezione del circuito composta da R1 e C1.
Abbiamo già visto nell'articolo riguardante il condensatore, come questo possa essere paragonato ad un recipiente che si può riempire, o meglio caricare.
Abbiamo altresì visto, che man mano che il condensatore si carica, ai suoi capi sale pure la tensione, quindi avremo inizialmente a condensatore completamente scarico ai suoi capi una tensione di 0V, poi man mano che si carica il condensatore, la tensione ai suoi capi salirà fino a raggiungere il valore di Vcc a condensatore completamente carico.
Sappiamo pure che tanto più grande è il condensatore, e tanto più tempo impiega a caricarsi, e abbiamo visto che il tempo di carica è funzione anche della corrente, e di conseguenza del valore della resistenza che la limita, tanto da poter scrivere una formala in cui il tempo di carica è dato da RxC.
In realtà, la formula RxC ci indica il tempo che il condensatore impiega a caricarsi fino al 63% circa 2/3 di carica, ma può tornale utile per avere una indicazione dei tempi di carica.
Nel nostro circuito sono stati utilizzati per R1 un valore di 470K, e per C1 un valore di 470uF, dando così luogo a tempi di carica che possiamo vedere nel grafico sotto.
In pratica la tensione ai capi del condensatore, e quindi la tensione presente sul pin V- del comparatore, è rappresentata dalla curva sopra.
Possiamo vedere che la tensione sale molto lentamente, dandoci così la possibilità di avere un tempo nell'ordine delle centinai di secondi, ovvero nell'ordine dei minuti.
Ricordiamoci però che la tensione fissa da noi utilizzata è di 7,2V, quindi la parte di grafico che ci interessa a noi, è solo la prima parte, quella rappresentata dal tempo che impiega la tensione a salire e raggiungere il valore di 7,2V.
Per consultare meglio il grafico prendiamo in considerazione solo la prima parte del grafico.
Quindi appena il circuito viene alimentato, sul pin V+ ci troviamo la tensione proveniente dal partitore resistivo formato da R2 ed R3, che abbiamo calcolato essere 7,2V.
Sul pin V- invece ci ritroviamo una tensione di 0V, quindi essendo V+ maggiore di V-, l'uscita del comparatore si porta istantaneamente a Vcc ovvero 12V.
Man mano che passa il tempo, il condensatore si carica, e con esso sale tensione ai suoi capi, e quindi la tensione presente sul pin V-.
Ad esempio dopo 120 secondi, quindi 2 minuti, il condensatore si è caricato di un certo valore, e la tensione ai suoi capi è salita a 5V, sul pin V+ è sempre presente la tensione fissa di 7,2V, sul pin V- la tensione è salita a 5V, V+ è ancora maggiore di V- e quindi l'uscita del comparatore è sempre uguale a Vcc quindi circa 12V.
Il condensatore continua a caricarsi, e la tensione continua a salire, fino a circa 210 secondi, quando finalmente la tensione ai capi del condensatore raggiunge e supera i 7,2V.
Appena la tensione proveniente dal condensatore supera i 7,2V, si ha che V+ dove è presente la tensione fissa di 7,2V, non è più maggiore di V-, ma diviene minore, in pratica V- supera V+, e quindi l'uscita del comparatore si porta istantaneamente a 0V.
Ricapitolando l'uscita del nostro amplificatore operazionale, si porta subito a Vcc appena il circuito viene alimentato, per poi tornare a 0V dopo circa 210 secondi, quindi circa 3 minuti e 30 secondi.
Ora non vi sarà sicuramente sfuggito che per R3, non è stata utilizzata una resistenza fissa di 15K, ma è stata invece utilizzata una resistenza variabile o trimmer, da 15K.
Questo ci permette di regolare la tensione fissa sul pin V+, con il risultato di diminuire il tempo del nostro temporizzatore.
Impostando ad esempio il trimmer a metà corsa, la sua resistenza sarà uguale a circa 7,5K.
Con questo valore di R3, sull'uscita del partitore e quindi sull'ingresso V+ ci ritroviamo una tensione di:
R3/(R2+R3)xVcc → 7,5/(10+7,5)x12 → 7,5/17,5x12 → 0,42x12 = 5V
Adesso seguendo il ragionamento di prima, V- raggiungerà V+ dopo 120 secondi, e quindi l'uscita dell'amplificatore operazionale tornerà a 0V dopo 120 secondi ovvero 2 minuti.
Impostando ancora il trimmer ad ¼ di giro, la sua resistenza sarà uguale a 3,75 Ohm, la tensione in uscita dal partitore sarà adesso di:
R3/(R2+R3)xVcc → 3,75/(10+3,75)x12 → 3,75/13,75x12 → 0,27x12 = 3,24V
quindi tale tensione sarà raggiunta dopo circa 70 secondi, poco più di 1 minuto.
In pratica abbiamo capito che il trimmer R2, serve per regolare la tensione sul pin V+, e di conseguenza a variare il tempo di funzionamento del nostro temporizzatore, che quindi potrà essere regolato da pochi secondi fino ad un massimo di circa 3 minuti e 30 secondi.
Avrete pure notato un diodo D1, questo serve a scaricare velocemente il condensatore, una volta che il circuito non è più alimentato, altrimenti tale condensatore si scaricherebbe sempre sulla resistenza R1, e quindi impiegherebbe più o meno lo stesso tempo che ha impiegato a caricarsi.
Inserendo invece il diodo D1 in parallelo alla resistenza, si ha che durante la fase di carica, la corrente non può attraversare il diodo, perché questo si trova polarizzato inversamente, viceversa durante la scarica, il diodo si trova polarizzato direttamente, e quindi adesso la corrente può attraversare il diodo, e quindi nella fase di scarica la resistenza vine bypassata dal diodo, con il risultato che il condensatore si scarica in pochissimo tempo.
Passiamo infine ad analizzare la quarta e ultima sezione del circuito.
Questa altro non è che un transistor npn con la sua resistenza di polarizzazione, utilizzato come interruttore per comandare un relè a 12V.
Di come si utilizza e si dimensiona un transistor per essere utilizzato come interruttore ne abbiamo ampiamente parlato nell'articolo sul transistor, quindi inutile ripetere tutto.
Diciamo solo che quando l'uscita del amplificatore operazionale si porta a circa 12Vcc, il transistor grazie alla resistenza R4 di polarizzazione viene saturato, e quindi il relè si eccita chiudendo i suoi contatti.
Viceversa quando l'uscita dell'amplificatore operazionale torna a 0V, il transistor si trova interdetto, e quindi il relè si diseccita, con i suoi contatti che tornano a riposo.
Infine, vi è un contatto normalmente aperto di K1 messo in parallelo al pulsante.
Infatti P1 è un pulsante normalmente aperto, ciò significa che quando viene premuto, chiude il contatto che quindi alimenta il circuito.
Appena però viene rilasciato, essendo un pulsante a molla, il suo contatto si riapre, e quindi tale pulsante non è più in grado di mantenere alimentato il circuito.
Per questo motivo vine utilizzato un contatto di K1, che bypassa il pulsante.
Abbiamo visto che appena il circuito viene alimentato, il relè si eccita, quindi il contatto K1 si chiude, e a quel punto possiamo pure rilasciare il pulsante P1, perché adesso il contatto K1 mantiene il circuito alimentato.
Passato il tempo, il relè si diseccita, i suoi contatti tornano a riposo, il contatto di K1 si riapre, ed il circuito si disalimenta da solo, per far partire una nuova temporizzazione, c'è da pigiare nuovamente il pulsante P1.
Ovviamente K1 ha 2 contatti, uno vine utilizzato dal circuito per bypassare P1, l'altro rimane libero e a disposizione per pilotare qualsiasi altro carico, come un motore o una lampada.
Tra l'altro essendo il secondo contatto completamente libero può essere utilizzato per alimentare carichi anche a tensione diversa, potrebbe per fino essere utilizzato per alimentare carichi funzionanti a tensione di rete 220V.
Il circuito non è molto complesso, ma ho comunque pensato di disegnare pure un pcb, in modo da facilitare il compito a chi volesse provare a costruire tale circuito.
R1=470K
R2=10K
R3=Trimm 15K
R4=1K
D1=1N4148
C1=470uF elettr. 16V
Q1=BC237
IC1=LM358
K1= Relè 12V doppio scambio
N.2 morsettiere 2 poli
N.1 morsettiera 3 poli
Sopra lo schema di montaggio, e i vari collegamenti da effettuare.
La linea grigia subito sopra il relè, è un ponticello da effettuare con un pezzetto di filo.
Avrete notato che la morsettiera CONTACT per il collegamento del carico presenta 3 contatti, di cui quello al centro non è collegato.
Quello al centro è il contatto normlamente chiuso, collegando il carico tra il primo contatto in alto, e il secondo contatto al centro, lasciando quindi libero il terzo e ultimo contatto in basso, si avrà il funzionamento inverso, ovvero carico alimentato a temporizzatore off, e carico disattivato per il tempo in cui il temporizzatore è on.