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Circuito con 555
Lo schema seguente mostra un semplice circuito per il pilotaggio dei servomotori
utilizzando un integrato NE.555 in configurazione astabile.

Se ruotiamo il cursore del potenziometro R3 a sinistra verso il diodo DS2 otteniamo delle onde quadre con un duty-cycle massimo di circa il 25%. Se lo ruotiamo a destra verso DS3 otteniamo delle onde quadre con un duty-cycle minimo di circa il 4%.

- Trimmer R3 sul valore minimo (R3 = 0 Ohm):
frequenza = 1,44 / [(R1+ R2 + R3  + R3) × C1] = 62 Hz
duty-cycle = 100 × TH / (TL+TH) = (R4 + R3) / (R1 + R2 + R3 + R4 ) =  4 %

- Trimmer R3 sul valore massimo (R3 = 50 KOhm):
frequenza = 1,44 / [(R1+ R2 + R3  + R3) × C1] = 62 Hz
duty-cycle = 100 × TH / (TL+TH) = (R4 + R3) / (R1 + R2 + R3 + R4 ) =  26 %

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Generazione segnale PWM
I servomotori vengono utilizzati in parecchie applicazioni, specialmente, dai modellisti per comandare la gli sterzi delle automobiline, degli aeroplanini e degli elicotterini. I servomotori vengono anche utilizzati per muovere delle microtelecamere o per costruire dei piccoli robot.

All’interno di un servomotore sono presenti diversi ingranaggi per ridurre la velocità di rotazione dell’albero rispetto alla velocità di rotazione del motore, un piccolo motore DC, una piccola scheda di controllo (il più delle volte in SMD ed un potenziometro. Il motore ed il potenziometro sono collegati alla scheda di controllo e, tutti e tre, formano quello che in “sistemi” viene chiamato “sistema di retroazione ad anello chiuso”. Sia la scheda di controllo che il motore sono alimentati da una tensione continua in genere compresa tra 4,8 volt e 7,2 volt.

Per controllare il motore viene inviato un segnale digitale di tipo PWM alla scheda di controllo.

Dal contenitore dei servomotori fuoriescono sempre tre fili. Il filo di colore nero è la massa, quello di colore rosso è il positivo di alimentazione dei 5 volt stabilizzati e quello di colore bianco è quello sul quale va applicato il segnale digitale di controllo ad onda quadra avente una frequenza di circa 60-70 Hz (ossia un periodo di 16 ms) e con un duty-cycle variabile.

Se questa onda quadra rimane a livello logico 1 per un tempo di 1,8 millisecondi (che equivale ad un duty-cycle del 10% circa), la leva del motorino si posiziona al centro, se questo intervallo di tempo si restringe, la leva del servomotorino ruota in senso orario, mentre se si l’intervallo si allarga la leva si ruota in senso antiorario.

Quando il duty-cycle dell’onda quadra che alimenta questi motorini rimane a livello logico 1 per un tempo di 3 millisecondi (che equivale ad un duty-cycle del 20% circa), la leva ruota verso destra. Se, invece, rimane per soli 0,6 millisecondi (che equivale ad un duty-cycle del 4% circa), la leva ruota verso sinistra.

Il segnale digitale ad onda quadra aziona la rotazione del motore che, attraverso una serie di ingranaggi, è collegato al potenziometro. La posizione del cursore del potenziometro indica la posizione della leva del servomotore. Quando il cursore del potenziometro indica che il motore ha raggiunto la posizione desiserata, la scheda di controllo toglie l’alimentazione al motore.

I servomotori vengono impiegati per rotazioni limitate anzichè per rotazione continue come i motori DC o i motori passo-passo.

Per trovare i valori corretti del duty-cycle del segnale PWM per il vostro servomotore dovrete probabilmente fare diverse prove. In genere la frequenza del segnale digitale è comunque compresa tra 30 e 70 Hz. State molto attenti a non far lavorare il servomotore al di fuori dei proprio campo di rotazione. Se il servomotore si blocca e gli ingranaggi iniziano a “grattare”, spegnete subito l’alimentazione al servomotore!. In caso contrario corrette il rischio di “sgranare” gli ingranaggi e rovinare il servomotore.

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Circuito con 555
Nella figura è riportato lo schema elettrico completo di questo commutatore elettronico che, come noterete risulta molto semplice poiché impiega un integrato NE.555.
La tensione continua che alimenta questo circuito viene applicata sulle boccole di entrata rispettando la polarità “+” e “-”. Il motorino del quale vogliamo regolare la velocità o la lampada della quale vogliamo regolare la luminosità vanno collegati sulle boccole di uscita. Questo circuito può essere alimentato con una qualsiasi tensione continua compresa tra 11 volt e 15 volt. Nel caso in cui voleste alimentare questo circuito con tensioni superiori ai 15 volt e, comunque, fino ad un massimo di 25 volt, dovrete sostituire il diodo DS1 con un piccolo integrato stabilizzatore tipo uA.78L015 oppure uA.78L012.

In questo circuito l’integrato siglato IC1, un comune NE.555, viene utilizzato per generare delle onde quadre ad una frequenza di circa 700 Hz. Il potenziometro R2, collegato ai capi dei due diodi siglati DS2 e DS3, ci consente di modificare il duty-cycle delle onde quadre generate dall’oscillatore astabile.

Più lungo è il tempo in cui il transistor rimane interdetto, più scende il valore di tensione che riusciamo a prelevare sui morsetti di uscita. Per proteggere il transistor da eventuali extratensioni che i carichi induttivi potrebbero generare quando vengono comandati in PWM, sono stati inseriti due diodi rapidi DS4 e DS5 (si possono usare eventualmente anche diodi shottky 11DQ06) ed il condensatore C5.

Se ruotiamo il cursore del potenziometro R2 a sinistra verso il diodo DS2 otteniamo delle onde quadre con un duty-cycle di circa il 90% e quindi  preleveremo in uscita la massima tensione.

Se lo ruotiamo a destra verso DS3 otteniamo delle onde quadre con un duty-cycle del 10%  e quindi  preleveremo in uscita la minima tensione.

Poiché  l’integrato NE.555 è configurato in modalità astabile, gli intervalli di tempo di scarica TL e quelli di carica TH possono essere determinati per mezzo delle equazioni di carica e scarica di un condensatore.

Durante l’intervallo TL la costante di tempo di scarica è (R1+RSX2)×C1
mentre durante l’intervallo TH la costante di tempo di carica è (R3+RDX2)×C1
dove R2 = RDX2 + RSX2, ossia RDX2 ed RSX2 sono le parti di suddivisione a destra e a sinistra del potenziometro rispetto alla posizione del cursore.

In particolare, se il cursore del potenziometro è tutto a sinistra (verso DS2), allora  RSX2 = 0 Ohm, RDX2 = R2 ed il duty-cycle è pari a circa il 85%.

Se il cursore del potenziometro è tutto a destra (verso DS3), allora  RSX2 = R2, RDX2 = 0 Ohm ed il duty-cycle è pari a circa il 15%.

Se il cursore del potenziometro è a metà della corsa, allora  RSX2 = ½R2, RDX2 = ½R2 ed il duty-cycle è pari al 50%.

Poiché sul piedino di uscita 3 di IC1 risulta collegato, tramite la resistenza R4, la base del transistor siglato TR1, quando l’onda quadra è a livello logico “1” il transistor si porta in conduzione. In questo modo il suo collettore si chiude verso massa fornendo al motorino, o alla lampada collegata sui terminali di uscita, la tensione di alimentazione. Quando l’onda quadra è a livello logico “0” il transistor risulta interdetto, cioè non è in conduzione.

Il suo collettore risulta così isolato da massa e in questa condizione il motorino (o la lampada) collegato al circuito non riceverà alcuna tensione.

Se constatate che il vostro motorino cessa di girare con una tensione di 6 volt, potrete sostituire il potenziometro R2 da 1 MOhm con uno da 470 KOhm, non dimenticando di collegare sul terminale che si collega al diodo DS3 una resistenza da 470 KOhm o da 560 KOhm.

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Generazione segnale PWM
Se colleghiamo una tensione continua ad un commutatore elettronico, che provvede ad interromperla ciclicamente, otteniamo in uscita una tensione minore il cui valore risulta proporzionale al rapporto che esiste tra il tempo di durata e quello di pausa.
Ammesso che sull’ingresso del circuito di commutazione venga applicata una tensione di 15 volt e che ciclicamente questo lasci passare per un tempo pari ad un 90% la tensione e che, di conseguenza, rimanga in pausa per un tempo pari al 10%, in uscita preleveremo una tensione media di 13,5 volt [ossia 15V × (90 : 100)].
Se questo commutatore lascia passare una tensione per un tempo del 50% e per un identico tempo rimane in pausa, in uscita preleveremo una tensione media di 7,5 volt [ossia 15V × (50 : 100)].
Se invece lascia passare a tensione per un tempo del 20 % e rimane in pausa per un tempo pari allo 80%, in uscita preleveremo una tensione media di 3 volt [ossia 15V × (20 : 100)].
Come avete capito, variando il solo tempo di pausa possiamo ridurre una tensione dal suo massimo al suo minimo.
Per ottenere questa interruzione ciclica della tensione di uscita occorre un oscillatore in grado di fornire in uscita un’onda quadra con un duty-cycle variabile, vale a dire con un tempo variabile tra livello logico “1” e livello logico “0”. Se questa onda quadra viene applicata sulla base di un transistor NPN di potenza o sul gate di un MOSFET di potenza, ci permette di prelevare dal suo collettore/drain una tensione variabile con correnti che possono superare anche i 5 ampere.
Un commutatore elettronico ci permette inoltre di ottenere un elevato rendimento: infatti dissipando il calore in pochi watt aumenteremo  l’autonomia delle batterie di alimentazione.

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Impiego come astabile
Questo circuito permette di ottenere una nota bitonale (ossia formata da due frequenze bitonali) che potrà essere utilizzata come segnale di allarme.

I due integrati NE.555 presenti nel circuito, entrambi in configurazione astabile, vengono utilizzati per svolgere le seguenti funzioni:
- IC1 per modificare la velocità di cambio delle note;
- IC2 per generare le due frequenze bitonali.

Se vorrete realizzare questo circuito a casa vostra, potete recuperare l’altoparlante da 8 W smontando un vecchio computer. Infatti in tutti i computer il classico cicalino è un altoparlante da 8 W e ½ Watt di potenza.

Il primo integrato IC1, utilizzato in configurazione astabile, viene fatto oscillare su frequenze molto basse comprese tra 1÷7 Hz e, come già sappiamo dalla esercitazione n.14, il valore di questa frequenza di oscillazione dipende dalle due resistenze R1 ed R2 e dal condensatore C1.

Ogniqualvolta sul piedino di uscita 3 di IC1 sarà presente un livello logico 0, l’integrato IC2 emetterà una una nota acustica a circa 750 Hz,  mentre quando sullo stesso piedino sarà presente un livello logico 1, l’integrato IC2 emetterà una  nota acustica a circa  1200 Hz.

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Impiego come astabile
Lo schema della figura seguente utilizza due NE.555 (che eventualmente potremo sostituire con un solo NE.556 che è composto a sua volta da due NE.555 nello stesso contenitore). Questo circuito consente di ottenere sull’uscita (piedino 3 di IC2) un treno di impulsi di durata ben definita ogni volta che il piedino di ingresso (piedino 2 di IC1) verrà portato a livello logico 0, vale a dire ogni volta che il piedino di ingresso verrà cortocircuitato a massa.

Questo circuito potrebbe risultare molto utile in tutti quei casi in cui sia necessario inviare un certo numero di impulsi a livello logico “1” (on) in un tempo prestabilito. Ad esempio, se dobbiamo inviare ad un circuito 30 impulsi in 10 secondi, anziché premere per 30 volte consecutive un tasto nei 10 secondi, basterà premerlo una sola volta ed il circuito eseguirà
questa operazione senza sbagliare.

Il primo integrato NE.555, che nello schema è siglato IC1, viene utilizzato come multivibratore monostabile ed è quello che ci permetterà di ottenere il tempo di durata degli impulsi, mentre il secondo integrato, siglato IC2, viene utilizzato come multivibratore astabile ed è quello che ci permetterà di determinare quanti impulsi desideriamo ottenere nel tempo prefissato dall’altro multivibratore IC1.

Per determinare il tempo di durata degli impulsi potremo utilizzare la formula del multivibratore monostabile (vedi lezione):
tempo in secondi = 1,1 × R1 × C1
ove R1 è il valore in Ohm della resistenza e C1 è il valore in F del condensatore.

Per determinare il numero degli impulsi che desideriamo ottenere nel tempo prestabilito (ossia per calcolare la frequenza del segnale), utilizzeremo la formula del multivibratore astabile (vedi lezione):
fo in Hz = 1,44 / [(R1+2 × (R2 + R3)) × C]
Anche in questo caso i valori di R2 ed R3 sono espressi in Ohm e quello di C2 in F.

Ora se si desidera che in un tempo di 5 secondi fuoriescano da questo circuito 100 impulsi, dovremo procedere come segue:

1):
Sceglieremo per il monostabile IC1 una capacità C1 di valore standard e ricaveremo il valore di R1 applicando la formula inversa del multivibratore monostabile.

Se per C1 sceglieremo ad esempio 1 µF, scopriremo che per R1 dovremo utilizzare un valore ohmico esagerato di 4545 Ohm. [ossia 5 : (1,1 × 1 × 10-6)].

Per abbassare il valore della R1, dovremo scegliere per C1 una capacità maggiore, ad esempio 47 µF e, così facendo, otterremo per R1 un valore di 96,7 kOhm. Poiché questo valore non è standard, è possibile utilizzare una resistenza da 82 kOhm e mettere in serie a questa un trimmer da 47 kOhm. Così facendo, azionando il cursore del trimmer, potremo ricercare sperimentalmente il giusto valore ohmico, compensando anche le immancabili tolleranze del condensatore elettrolitico C1.

2):
A questo punto dovremo calcolare a quale frequenza dovrà oscillare l’astabile IC2 per ottenere 100 impulsi in 5 secondi. Utilizzeremo la seguente formula:
frequenza in Hz = Numero impulsi / intervallo di tempo in secondi
Quindi otterremo una frequenza fo di 20 Hz [ossia 100 impulsi : 5 secondi].

Nota la frequenza, dovremo anche in questo caso scegliere per il condensatore C2 un valore standard e calcolare il valore di (R2+2×R3) applicando la formula inversa del multivibratore astabile. Scelto, cioè, per C2 un valore standard di 330000 pF (che convertito in µF corrisponde a 0,33 µF), otterremo che la quantità (R2+2×R3) è pari a 218 kOhm. Se a questo punto, per esempio, poniamo R2 = 1 kOhm, R3 dovrà valere 108,5 kOhm. Per correggere eventuali tolleranze del condensatore C2, possiamo utilizzare per R3 una
resistenza da 82 kOhm con in serie un trimmer da 47 kOhm.

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Impiego come astabile
Per eccitare e diseccitare in modo continuo un relè si può utilizzare lo schema seguente.

Collegando sulle uscite del relè una o due lampadine da 12 volt oppure da 220 volt
otterremo un semplice lampeggiatore che potremo utilizzare a scopo pubblicitario o per segnalare un pericolo.

Ruotando il trimmer R3 sul valore minimo possiamo ottenere circa 25 impulsi al minuto (0,4 Hz), mentre ruotando per il suo massimo valore possiamo ottenere circa 4 impulsi al minuto (0,06 Hz). Infatti, applicando le formule viste a lezione, si ottiene:

- Trimmer R3 sul valore minimo (R3 = 0 Ohm):
fo in Hz = 1,44 / [(R1+2 × (R2 + R3)) × C] = 0,46 Hz

- Trimmer R3 sul valore massimo (R3 = 100 Ohm):
fo in Hz = 1,44 / [(R1+2 × (R2 + R3)) × C] = 0,06 Hz

Se aumenteremo la capacità del condensatore elettrolitico C1 ridurremo il numero dei lampeggi per minuto mentre se ridurremo tale capacità aumenteremo il numero dei lampeggi.

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Impiego come monostabile
Vi sono delle applicazioni in cui sarebbe utile che un relè si eccitasse con un certo ritardo.

Una di queste applicazioni serve per esempio per collegare le casse acustiche ad un amplificatore solo dopo che sono trascorsi alcuni secondi dal momento in cui è stato alimentato il finale di potenza per evitare di ascoltare quel forte e fastidioso “toc” negli altoparlanti. Per realizzare un circuito che ecciti in ritardo un relè possiamo nuovamente utilizzare l’integrato NE.555 collegato come visibile nella figura della pagina seguente.

Per calcolare il tempo in cui il relè rimane eccitato si può usare la formula seguente (vista a lezione):

tempo in secondi = 1,1 × R1 × C1

ove R1 è il valore in Ohm della resistenza e C1 è il valore in F del condensatore.

Anche in questo esempio, se nel circuito utilizziamo una resistenza da 47 kOhm ed un condensatore elettrolitico da 100 µF il relè si disecciterà dopo 5 secondi [ossia 1,1×47×103×100×10-6].

Per aumentare i tempi basta aumentare il valore della resistenza R1 oppure del
condensatore C1. Se vogliamo eccitare il relè dopo un tempo di circa 3 secondi basta utilizzare una resistenza da 68 kOhm ed un condensatore da 47 µF [ossia 1,1×68×103×47×10-6].

Poiché i condensatori elettrolitici hanno delle tolleranze che possono raggiungere anche il 40%, per ottenere dei tempi precisi potremmo scegliere per R1 un valore di 56 kOhm e collegargli in serie un trimmer da 22÷47 kOhm,. Regolando questo trimmer potremo ottenere il tempo di ritardo richiesto.

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Impiego come monostabile
Il circuito visibile nella figura seguente, che utilizza un NE.555, è un semplice
temporizzatore. Questo circuito viene spesso usato per tenere acceso per un tempo prefissato le luci di una scala oppure per accendere la lampada di esposizione di un negozio, ecc.

Dal piedino 3 del NE.555 possono uscire al massimo 200 mA, quindi il relè che può essere collegato è un normale minirelè (Finder, Omron, ecc.) con bobina da 12V in continua a basso assorbimento.

Pigiando il pulsante P1 il relè si ecciterà e rimarrà eccitato per un tempo che possiamo prefissare modificando il valore della resistenza R2 e del condensatore elettrolitico C1.

Per calcolare il tempo in cui il relè rimane eccitato si può usare la formula seguente (vista a lezione):

tempo in secondi = 1,1 × R2 × C1

ove R2 è il valore in W della resistenza e C1 è il valore in F del condensatore.

Se nel circuito abbiamo utilizzato una resistenza da 47 kOhm ed un condensatore elettrolitico da 100 µF il relè si disecciterà dopo 5 secondi [ossia 1,1×47×103×100×10-6].

Per aumentare i tempi basta aumentare il valore della resistenza R2 oppure del
condensatore C1. Se vogliamo raggiungere un tempo di circa 42 secondi basta utilizzare una resistenza da 82 kOhm ed un condensatore da 470 µF [ossia 1,1×82×103×470×10-6].

Se volessimo ottenere un tempo di 3 secondi utilizzando un condensatore da 100 µF dovremo scegliere una resistenza da 27 kOhm. Se volessimo ottenere un tempo di 8 secondi utilizzando una resistenza da 33 kOhm dovremmo scegliere un condensatore elettrolitico da 220 µF.

Il tempo prefissato partirà dall'istante in cui verrà rilasciato il pulsante P1 (quindi non tenete premuto questo pulsante per molto tempo ma pigiatelo molto velocemente).

Poiché i condensatori elettrolitici hanno delle tolleranze che possono raggiungere anche il 40% difficilmente riusciremo ad ottenere dei tempi esatti calcolati con queste formule. Per ottenere dei tempi molto precisi sarebbe consigliabile utilizzare per la resistenza R2 un valore dimezzato rispetto a quello calcolato e poi, in serie a questa resistenza, collegare un trimmer che potremo tarare fino ad ottenere il tempo richiesto.

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Pag. 106-107 volume 3B

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Pag. 106-107 volume 3B

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Pag. 105-106 volume 3B

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Pag. 105-106 volume 3B

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Pag. 103-104 volume 3B