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Inverter n°1 |
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Configurazione didattica a 2 quadranti.
Prova pratica dell'esame di qualifica dell'anno formativo 2006-2007
Una oscillazione ad onda quadra abbastanza stabile e con un ampissimo range di frequenze si può ottenere facilmente con un circuito a transistor chiamato multivibratore astabile. Il concetto di base è rappresentato nello schema a blocchi sottostante.
La porta N1 è un invertitore formato dal transistor BC337 del ramo di destra e dalla sua resistenza in collettore, il cui valore sarà tarato sia per non superare la massima corrente di collettore del BC337 che per far saturare correttamente il darlinghton, si nota che nello schema esiste un gruppo formato da 1K per la corrente di collettore e (330Ohm+1K) per la base del TIP122, ma un'ottima variazione che poi si è utilizzata nel progettazione della basetta è di usare una sola resistenza di 330 Ohm al posto di quella da 1K e la base del TIP122 sarà collegata direttamente al collettore del BC337.
La porta N2 è un invertitore composto dal transistor del ramo di sinistra e dal suo gruppo resistivo di collettore il cui dimensionamento sarà per simmetria identico a quanto sopraindicato.
Le basi tempo sono formate dai circuiti connessi alle basi dei BC337, ovvero la serie del resistore fisso nello schema riportato a 12K e dal punto di regolazione a trimmer del valore di 2,2K, in serie alla capacità da 2,2uF elettrolitico. Nella realtà sarà preferibile allargare la finestra di regolazione aumentando il valore della resistenza variabile a 4K7 e riducendo di conseguenza quella fissa a 10K. Il valore della capacità è preferibile sia 4,7uF allo scopo di partire da un valore più prossimo a 50Hz prima di effettuare qualsiasi taratura per la quale è necessario un oscilloscopio.
I collegamenti tra le porte di inversione garantiscono che, quando il transistor TR1 di destra è saturo, il transistor TR2 di sinistra è interdetto, e viceversa.
Approssimativamente, il periodo di tempo durante il quale TR1 è interdetto è fornito , in secondi, da 0,7 * R * C, e per simmetria lo stesso tempo è di interdizione per TR2.
In questi oscillatori astabili il periodo di oscillazione è dato da T=1,4 * R * C dove R è il valore totale del trimmer con aggiunto il valore della resistenza fissa posti direttamente in serie alla capacità.
La frequenza di oscillazione è data ovviamente dall'inverso del valore ottenuto per il periodo f= 1/T.
Certamente si noteranno degli scostamenti tra il valore teorico calcolato del periodo e quello visualizzato dall'oscilloscopio a causa delle tolleranze sia dei resistori che delle capacità, ma un'azione di taratura sui trimmer porterà la frequenza agli attesi 50Hz e il duty cycle al 50%.
Si noterà che il fronte di salita della tensione di uscita è arrotondato, questo inconveniente può essere attenuato con modificazioni del circuito che restituiranno un'onda quadra perfetta, ad esempio con l'ausilio di diodi zener, o utilizzando un Flip-Flop o altro, queste modificazioni aumenteranno la stabilità della frequenza della tensione di uscita.
Anche se il circuito può essere soggetto a derive termiche o a necessità di ritarature il suo funzionamento è sicuro e la realizzazione molto semplice pertanto è usatissimo come generatore di onde quadre.
Download schema elettrico in FidoCad Download schema immagine .gif
(Lato rame)
Download file FidoCad (8 esemplari in basetta 100x160)
Attenzione: Se dopo aver scaricato il file sovrastante ti appare solo una lista di numeri stai visualizzando la netlist, questo è dovuto al fatto che nel tuo PC non è installato il Fidocad, per vedere la basetta e poterla stampare clicca nel link seguente ed installa il software, gratuito e assolutamente sicuro. Il download e l'installazione durerà pochi secondi. -> FidoCad
La basetta vista dal lato componenti, questa immagine è utile per il montaggio.
La Basetta 100x160 autoimprimente dopo il il processo di fotoincisione si presenta come nella figura sovrastante, si ricavano da un solo supporto ben 8 esemplari, nel caso si volesse fare realizzare il progetto come esercitazione di laboratorio per una classe scolastica di dimensione media si dovrà ripetere la fotoincisione per tre volte. Gli esemplari potranno essere separati usando una comune forbice da lamiera che ben si presta a questo scopo.
La Basetta, una volta alloggiati i componenti, si presenta come nella figura sovrastante, i darlighton sono muniti di un piccolo dissipatore perchè potrebbe essere necessario smaltire un pò di calore. La distribuzione dei componenti è ben congeniata quindi il progetto si presenta ordinato e funzionale. I trimmer per la taratura sono bene accessibili e come si nota nella figura, il regolatore di tensione non necessita di dissipatore dato che deve alimentare il solo multivibratore astabile e le basi dei darlighton.
In questa seconda foto vista in pianta possiamo vedere i due BC337 e la corretta polarità dei condensatori elettrolitici. notiamo anche la posizione dei due trimmer che grossomodo dovrebbero rispecchiare il posizionamento di ogni esemplare dopo che si è eseguita la taratura fine con l'oscilloscopio in modo da assicurare i 50Hz. I valori delle resistenze sono quelli più congeniali per questo progetto ovvero 10K, e 330 Ohm. La basetta misura solo 50mm X 40mm.
Il lato rame ha delle chiare indicazioni che aiutano nel montaggio, ogni componente trova alloggio anche senza dovere consultare lo schema elettrico, sono indicati perfino i terminali positivi dei condensatori, le basi dei TIP122, e la funzione dei 4 morsetti a vite .
Versione Eagle
La versione Eagle, riprogettata e pubblicata il 26 febbraio 2010, permette la costruzione di esemplari professionali del PCB anche se il progetto per la sua semplicità rimane ottimale a scopo didattico. Un utile esercizio molto importante in questo periodo di boom per le energie alternative sarà quello di collegare questo circuito ad un piccolo pannello solare, ad esempio sarà più che sufficiente un 40cm x 25cm della potenza di circa 18 Watt. Benchè data la limitata potenza ottenibile con i darlighton impiegati, potremmo collegare il sistema a una lampadina a basso consumo di uso civile e la vedremo accendersi. Gli allievi potranno constatare con l'ausilio di un tester la presenza delle varie tensioni, sarà dunque un'ottima prova di misure elettriche. Il circuito inoltre richiede una taratura che obbliga ad una esperienza di laboratorio di misura con l'oscilloscopio. Si dovranno utilizzare due sonde triggerate in modo da vedere l'onda quadrata campione dello strumento in maniera sovrapposta sui due canali, dopo di che verranno inserite le sonde a monte delle resistenze di base dei TIP122. Si dovranno visualizzare sull'oscilloscopio le due onde quadre il cui periodo verrà regolato a 20 millisecondi agendo sui trimmer. Sempre con l'oscilloscopio ci si dovrà accertare che le due onde quadre siano sfasate di 180°.
I transistor darlighton dovranno essere muniti di dissipatore termico, come chiaramente visibili nell'immagine dell'esemplare seguito in FidoCad. La saturazione di ogni ramo è garantita dai 10 milliampere che attraverseranno le due serie R1,R6 e R4,R5.il TIP122 nominato Q1 risulterà saturo quando è interdetto il BC337 di destra, mentre il TIP122 chiamato Q2 sarà saturo quando è interdetto il BC337 di sinistra. In caso di problemi per la saturazione dei deu TIP possiamo abbassare ulteriormente il valore di queste serie portandolo ad un complessivo di circa 300 ohm o addirittura 270 ohm. il pannello solare (o l'accumulatore al piombo) sarà collegato tra la massa di questo circuito e la presa centrale di un trasformatore elevatore a doppio avvolgimento simmetrico il cui valore nominale potrà andare da 12+12 V AC fino a 24+24 V AC (alcuni pannelli solari miniaturizzati raggiungono o si approssimano a 24 Volt quando esposti alla piena luce solare estiva. Sul nucleo magnetico del trasformatore si instaura così un flusso magnetico alternato che concatena altre a questi due avvolgimenti anche il secondario che si curerà di elevare il valore alla tensione dettata dal rapporto spire prescelto. Essendo il trasformatore per sua natura un filtro passa basso di otterrà in uscita una forma d'onda molto più morbida e priva di spigoli che chiameremo "pseudo sinusoidale".
Nota bene: in caso di difficoltà nel reperimento del trasformatore elevatore potremmo usare un normalissimo trasformatore riduttore che collegheremo invertendo il primario con gli avvolgimenti secondari. Bisognerà tenere conto che le sezioni del rame sono progettate per operare a bassa corrente dove ne stima cercando di fare passare tante e viceversa, in poche parola un trasformatore collegato alla rovescia funziona ma non può garantire pienamente le sue caratteristiche di targa relative alla potenza nominale. Anche usando il trasformatore alla rovescia rimane un'ottima esperienza didattica. Per quanto riguarda i dati di targa richiesti al momento dell'acquisto sarà sufficiente un 10 oppure 15 VA di potenza nominale e per quanto riguarda le tensioni un avvolgimento singolo a 220 Vac e due simmetrici da 12 Vac (risultati analoghi e comunque soddisfacenti si possono ottenere anche variando leggermente i valori in tensione degli avvolgimenti simmetrici, ad esempio 10 +10 V AC oppure 15 +15 Vac. sarà prprio la semplicità del circuito a rendere sempre funzionale anche in caso di variazione di qualche parametro. Per concludere, delle prestazioni più significative si possono ottenere sostituendo i darlinghton TIP122 con dei robusti mosfet di potenza che risultano anche muniti internamente del diodo di ricircolo.
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| serigrafie | lato componenti | lato saldature | tutti i layers |
download del progetto in formato Eagle e dei file costruttivi gerber