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Questa è una piccola guida per realizzare i circuiti stampati che stiamo progettando nelle ore di TPS per realizzare la casa domotica.
Leggete bene le precauzioni d'uso dei materiali prima di mettervi all'opera a casa vostra. Le prime volte dovrete farvi assistere da un adulto e dovrete lavorare sotto la sua supervisione in un'area attrezzata (e ventilata) della casa che potrebbe essere il garage o la mansarda.
In laboratorio la preparazione delle schede dei circuiti stampati verrà invece realizzata da Angelo negli appositi locali adibiti dalla scuola dopo che gli avrete fornito una copia del master stampata su carta o su lucido.
Una valida alternativa alla realizzazione dei circuiti stampati consiste nel ricorrere alla saldatura dei componenti sulle schede millefori come avete già provato in laboratorio TL14 nelle scorse lezioni.
I materiali chimici utilizzati per lo sviluppo devono essere conferiti alle discariche secondo le regole vigenti nei singoli comuni.
Usare sempre guanti, occhiali ed un vestiario idoneo che non lasci scoperte parti del corpo.

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La conducibilità può essere accresciuta introducendo nel reticolo cristallino del semiconduttori puro una piccolissima quantità di “impurità”.
La giunzione pn si ottiene con due materiali, uno drogato n e l'altro drogato p.
In base a quanto detto in classe ed a quanto riportato sul tuo libro nelle pagine da 177 a 179 , completa il disegno seguente con l'indicazione del numero degli elettroni di valenza del silicio, del fosforo e dell'alluminio.
Indica dove si spostano gli elettroni
L'atomo di Fosforo è accettore o donatore di elettroni ?. Quello di alluminio ?

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La giunzione pn: la zona di  "svuotamento"

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La giunzione pn: la zona di  "svuotamento"

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La giunzione è il piano di contatto tra una regione drogata P ed una drogata N di un unico monocristallo.

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Si tratta sostanzialmente di diodi in cui si consente alla luce di cadere sulla giunzione p-n e, in assenza di illuminazione, sono indistinguibili da un normale diodo.
L’energia portata dal raggio solare è detta "quanto luminoso" o "fotone" ed è pari ad h×n, dove h è la costante di Planck.
La sensibilità alla luce è facile da calcolare; se si ha un flusso incidente di radiazione monocromatica W di frequenza n, il numero di fotoni che incide sul semiconduttore è W / (h × n) e la corrente prodotta dalla luce risultante è I = q×e×W / (h × n) dove “q” è un fattore di rendimento ed “e” è la carica dell’elettrone.
I pannelli solari sono di tre tipi:
- silicio monocristallino;
- silicio policristallino;
- silicio amorfo.
Il materiale più utilizzato per la costruzione delle celle solari è comunque il silicio, che è uno degli elementi più abbondanti della crosta terrestre. Vengono costruite celle con silicio monocristallino,
policristallino e amorfo. Il silicio monocristallino è ottenuto per crescita del silicio fuso da un unico cristallo. Le celle ottenute con questo metodo hanno una efficienza di circa il 17 %. Il silicio policristallino
è ottenuto da più cristalli e le celle da esso derivate raggiungono una efficienza del 13÷14 %. Il silicio amorfo non presenta struttura cristallina. Le celle ottenute da questo materiale hanno il pregio di costare poco ma hanno un rendimento piuttosto basso: circa 8 %. Le celle di silicio amorfo, a differenza di quellecristalline, sono in grado di funzionare con qualsiasi tipo di luce.
Il rendimento (ossia l’efficienza) di una cella non è altro che il rapporto tra la massima potenza che la cella può restituire e la potenza della radiazione solare che la colpisce. Ad esempio, se una cella di silicio
monocristallino è investita da una radiazione solare di 1 watt di potenza, al massimo potrà restituire una potenza elettrica di 0,17 watt (infatti 1 watt × 17 % = 0,17).

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Il Fill-factor (fattore di riempimento) è il rapporto tra la potenza massima e la tensione a vuoto per la corrente di cortocircuito.
Maggiore è il valore del Fill-Factor e migliore è la cella in quanto sta ad indicare che la caratteristica tensione/corrente si avvicina maggiormente ad un rettangolo.

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La saldatura dei componenti elettronici (esercitazione del 13/03/2017)

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La saldatura dei componenti elettronici (esercitazione del 13/03/2017)

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Vi ricordo che la saldatura a stagno dei componenti elettronici necessita di molta pratica e attenzione.
La saldatura a stagno è il metodo con cui è possibile unire meccanicamente ed elettricamente i componenti elettronici al circuito stampato mediante la fusione di una lega metallica nel punto di contatto tra rame e reoforo del componente.
Il saldatore viene impiegato per scaldare il punto di connessione e fondere la lega di stagno e piombo.
La temperatura raggiunta dalla punta del saldatore può oscillare tra i 300°C e i 500°C, dipende dalla potenza del saldatore e dalla punta.
La lega metallica è composta da stagno (Sn) al 60% e piombo (Pb) al 40%, alcune volte nella lega possono essere presenti piccole parti di rame e argento, la temperatura di fusione è di circa 190°C.
Aumentando la percentuale di stagno presente nella lega la temperatura di fusione si abbassa, ad esempio percentuali 63% di stagno e 37% di stagno abbassano la temperatura di fusione a circa 180°C.
Lo stagno viene fornito sotto forma di filo. Il filo di stagno è costituito da un’anima di resina fondente semitrasparente che ha lo scopo di facilitare la saldatura, ne migliora la diffusione del calore e previene la formazione di ossidi.

La saldatura dovrà avvenire in corrispondenza della piazzola, lo stagno non è da disperdete nelle piste vicine.

Per evitare contatti accidentali utilizzare un supporto per saldatori.

Eliminate ogni impurità dalla punta del saldatore usando una piccola spugnetta imbevuta d’acqua, in mancanza è sufficiente anche uno straccio di cotone imbevuto d’acqua.

Oli, grassi, vernici, ossidazione, sporcizia e polveri sopra la basetta o sui reofori dei componenti compromettono la saldatura.

Molto spesso i componenti sono venduti su supporti di carta gommata e sui reofori molto spesso si depositano sostanze collose, eliminare queste sostanze prima di incominciare la saldatura.

La saldatura dei singoli punti dovrà avvenire nel minor tempo possibile onde evitare il surriscaldamento dei componenti e la loro conseguente rottura.

I reofori vanno tagliati una volta che avete concluso tutte le saldature.

La temperatura raggiunta dal saldatore può superare i 300°C quindi a contatto della pelle può provocare gravi ustioni.

Durante la saldatura si creano vapori nocivi, quindi mantenere areati i locali in cui si opera.

Evitate assolutamente la pulitura della punta del saldatore con lime o carta vetrata in quanto si eliminerebbe lo strato protettivo.

Ecco una utile guida.

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E' un bel tutorial realizzato dal prof. Sebastiano Foti fino all'anno scorso docente dell'I.S. Dalmine.

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E' un tutorial Orcad di base disponibile a scuola.

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In base a quanto detto in classe ed a quanto riposrtato sul tuo libro nelle pagine da 177 a 179 , completa il disegno seguente con l'indicazione del numero degli elettroni di valenza del silicio.
Sostituisci nel reticolo alcuni atomi di Silicio con atomi di Fosforo. Come cambia il disegno ? L'atomo di Fosforo è accettore o donatore di elettroni ?. Il materiale che ottieni è più o meno conduttivo ?

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Le fotoresistenze sono dei componenti fotosensibili che riescono a variare il proprio valore ohmico in funzione dell’intensità della luce che ricevono.
Sono il primo esempio di materiale drogato di tipo n.

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Le fotoresistenze non sono altro che dei rivelatori fotoconduttivi.

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Le fotoresistenze non sono altro che dei rivelatori fotoconduttivi.

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Sono costituite da un materiale semiconduttore nel quale i fotoni della luce incidente eccitano gli elettroni del reticolo cristallino, rompono il legame covalente (l’elettrone, grazie all’energia portata dal fotone, non è più legato alla struttura cristallina ma è libero di muoversi) e determinano una variazione della conducibilità.

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Una semplice fotoresistenza è tutto quello che serve per rendere un robot sensibile alla luce. Le fotoresistenze al CdS hanno una sensibilità nei confronti del colore della luce simile all’occhio umano.

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La fotoresistenza è stata inserita in un  partitore resistivo. Mediante questo  partitore possiamo convertire il valore della resistenza della fotoresistenza in un valore di tensione più facilmente utilizzabile in un circuito elettronico.
In generale un ingresso alto della porta NOT impone un valore basso in uscita, mentre un ingresso basso della porta NOT produce un’uscita alta.
In questo circuito è stata utilizzata  una porta NOT del tipo TTL 74LS14 ad ingresso trigger Schmitt per eliminare la  fascia di incertezza tra i livelli logici.
Nel TTL 74LS14 gli ingressi hanno un’isteresi utilizzabile in caso di lenti cambiamenti dell’ingresso: la soglia di tensione per segnali di
ingresso crescenti è 1,7 V mentre la soglia di tensione per segnali di ingresso decrescenti è di 0,9 V. La zona di isteresi è circa 0,8V.

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Prova la simulazione del circuito. Al posto della fotoresistenza è stato messo un trimmer. Muovendo il cursore del trimmer puoi simulare la fotoresistenza

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È possibile costruire circuiti fotorivelatori  anche del tipo analogico anziché solo  on/off, ossia fotorivelatori in cui il valore
della tensione in uscita dal circuito è  proporzionale al valore della luce
incidente la fotoresistenza.
Lo possiamo collegare ad un ingresso digitale di Arduino ma anche ad un ingresso analogico.
Se lo colleghiamo all'ingresso analogico possiamo scrivere un programma che riconosce il buio e la luce applicando due soglie differenti (realizzando quindi un trigger di Smith di tipo software).

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Abbiniamo il fotorivelatore ad un comparatore

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Abbiniamo il fotorivelatore ad un comparatore

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Uno dei più semplici circuiti prevede di collegare il partitore resistivo della fotoresistenza ai terminali di ingresso di un comparatore. Un comparatore molto utilizzato è l’integrato LM339 (questo integrato contiene ben quattro comparatori !!). L’uscita del comparatore LM339 cambia il proprio stato (da alto a basso e viceversa) quando il terminale di ingresso (-) a cui è collegato il partitore resistivo della fotoresistenza supera un certo valore di soglia o scende al di sotto del valore di soglia impostato su un altro terminale di ingresso (+) del comparatore.
Il valore del partitore di tensione contenente la fotoresistenza viene confrontato con un valore di riferimento impostato mediante un potenziometro. Se il valore della tensione dalla fotocellula è più basso rispetto al valore della tensione di soglia impostato dal potenziometro, l’uscita del comparatore LM339 è alta, in caso contrario è bassa.

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Schema e piedinatura dell'integrato 74LS14.
Da utilizzare in laboratorio per riportare in ORCAD.

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Schema e piedinatura integrati.
Da utilizzare in laboratorio per riportare in ORCAD.

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Prova la simulazione del circuito. Al posto della fotoresistenza è stato messo un trimmer. Muovendo il cursore del trimmer puoi simulare la fotoresistenza.
Per simulare quello che succede all'ingresso analogico di Arduino, è stato collegato ad un ADC a 4 bit: il valore è campionato in 16 livelli anzichè 1023 come farebbe Arduino. Ossia il valore della luminosità assume un valore compreso tra 0 e 15 (F in esadecimale) anzichè tra 0 e 1023 come avverrebbe in Arduino.

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Simulazione fotorivelatore abbinato ad un comparatore

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Simulazione fotorivelatore abbinato ad un comparatore

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Prova la simulazione del circuito. Al posto della fotoresistenza è stato messo un trimmer. Muovendo il cursore del trimmer puoi simulare la fotoresistenza.

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Sensore di prossimità a raggi infrarossi per robot

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Sensore di prossimità a raggi infrarossi per robot

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Certamente è preferibile evitare la collisione di un robot con un ostacolo (muro, ecc.) che non  accorgersene (utilizzando per esempio un pulsante a contatto azionato da un baffo) solo dopo che questa
sia avvenuta. O si costruisce qualche elaborato radar per misurare le distanze, oppure i modi per individuare e, soprattutto, evitare le collisioni sono solo due: ricorrendo alla luce o agli ultrasuoni. Se
decidiamo di ricorrere alla luce, allora quello di cui abbiamo bisogno è un semplice sensore di prossimità a raggi infrarossi.

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I circuiti contenenti fotodiodi emittenti all’infrarosso sono dimensionati in modo analogo ai circuiti contenenti semplici led.

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I fotodiodi ed i fototransistor trovano una vastissima
applicazione nel funzionamento ON-OFF.

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Il circuito seguente impiega un integrato comparatore LM339

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Il circuito seguente impiega un integrato comparatore LM339

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L’uscita del comparatore commuta tra i valori alto (+5V) e basso (0V) in base alla quantità di raggi infrarossi che colpisce il fototransistor.