creiamo un circuito elettronico

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creiamo un circuito elettronico

creiamo un circuito elettronico

semplici circuiti a scopo amatoriale :

Alimentatore 12v

Vediamo oggi di realizzare il nostro primo circuito.
Per l'occasione ho scelto un circuito molto semplice, ma non per questo poco utile, stiamo parlando di un alimentatore a tensione fissa.

Sopra possiamo vedere lo schema elettrico del nostro circuito, intanto come prima cosa dobbiamo osservare i dati indicati nello schema, ovvero input 12-24V Ac ed out 12V dc.
Questo significa che il nostro alimentatore è in grado di convertire una tensione alternata in ingresso compresa tra 12 e 24V, in una tensione in uscita stabile sul valore di 12V.

La tensione alternata entra nel nostro circuito, e il primo componente che incontra è un ponte raddrizzatore siglato D1.
Abbiamo già visto nell'articolo dedicato al ponte raddrizzatore, a cosa serve questo componente, e abbiamo visto che la tensione alternata in ingresso viene raddrizzata, ovvero in uscita dal ponte raddrizzatore ci ritroveremo con una tensione continua o meglio pulsante.

Questa tensione in uscita così pulsante, potrebbe già essere utilizzata come una tensione continua, ma aggiungendo altri componenti possiamo fare di meglio.
Abbiamo visto nell'articolo riguardante il condensatore, che questo può essere paragonato ad un polmone che si carica e si scarica, e abbiamo visto che questa sua caratteristica può essere sfruttata per livellare la tensione.

Infatti inserendo un condensatore elettrolitico in parallelo sull'uscita del ponte raddrizzatore, la tensione che prima era pulsante quasi si appiattisce, divenendo praticamente continua.
Vediamo nel dettaglio quello che succede:

Il grafico in rosso è la tensione pulsante in uscita dal ponte raddrizzatore, e il grafico in blu è la tensione ai capi del condensatore, ovvero quella che ci ritroveremo dopo il condensatore.
Appena si presenta la prima semi-onda, il condensatore si carica assieme ad essa, (linea blu) portandosi al valore massimo di tensione, quando la semi-onda ridiscende vero il basso, il condensatore inizia lentamente a scaricarsi, ma riesce a scaricarsi di pochissimo, perché nuovamente si presenta l'altra semi-onda che ricarica completamente il condensatore, riportando la tensione al suo massimo valore.
In questo modo il condensatore riesce praticamente a mantenere la tensione lineare, trasformando la tensione pulsante in una tensione completamente continua.
La velocità di scarica del condensatore, dipende dalla corrente assorbita dall'eventuale carico collegato sull'uscita dell'alimentatore, normalmente si colcola a grandi linee 1000uF per ogni ampere di corrente.
Quindi con un condensatore da 2200uF possiamo stimare che il nostro condensatore riesce a livellare la tensione fino ad una corrente assorbita di circa 2A.

Adesso dopo aver raddrizzato e livellato la nostra tensione, abbiamo ottenuto una tensione continua, come se fosse una tensione proveniente da una batteria, però abbiamo un altro problema.
Il valore di questa tensione dipende dal valore di tensione che abbiamo in ingresso, tra l'altro abbiamo visto nell'articolo continua e alternata, che quando parliamo di tensione alternata, ci riferiamo sempre al valore efficace di tensione, ma le semi-onde raggiungono picchi di valore più alto, questo valore è appunto chiamato valore di picco e abbiamo visto che:

Vefficace = Vpicco x 0,707 da cui deriva che Vpicco=Vefficace/0,707

In pratica una tensione alternata di 12v, raggiunge un picco che arriva a circa 17v, ed è proprio questo il valore che assumerà la tensione dopo essere stata livellata.
Allora con una tensione in ingresso di 12v ac, ci ritroveremo dopo il condensatore una tensione continua di circa 17v, se poi la tensione in ingresso fosse 24v ac, in uscita dopo il condensatore avremmo una tensione continua di circa 30v dc.

Ma il nostro circuito deve fornire in uscita sempre 12v dc, indipendente che l'ingresso sia a 12v ac, 17v ac, 24 v ac ecc.
Ecco allora che ci viene in aiuto un nuovo componente siglato 7812 o lm7812.
Questo componente è definito un regolatore lineare, e altro non fa che stabilizzare la tensione ad un valore fisso, in questo caso ad un valore di 12v.

Il componente presenta 3 pin, il pin 1 di ingresso, dove deve essere sempre presente una tensione superiore a quella di uscita, un pin 2 di massa, da collegare sempre a massa, ovvero il negativo, ed un pin 3 di uscita da dove prelevare la nostra tensione fissata al valore voluto.

Questo regolatore fa parte di una famiglia di regolatori, dove le ultime 2 cifre del codice identificano la tensione di uscita.
Quindi il nostro 7812 fornisce in uscita 12v, un 7805 fornirà una tensione di 5v, un 7809 una tensione di 9v, un 7824 una tensione di 24v, e così via.

Ecco allora che inviando la nostra tensione raddrizzata e livellata, all'ingresso del nostro IC1 7812, possiamo prelevare sulla sua uscita una tensione fissa di 12v indipendentemente da quanto sia quella in ingresso.

C'è da aggiungere che questa famiglia di regolatori ha dei limiti da rispettare, il primo limite è che la tensione in ingresso sia almeno 2v superiore a quella di uscita, quindi se ho un 7812, per farlo funzionare bene in ingresso dovrò fornire minimo 14v;
un altro limite è che la differenza tra ingresso e uscita non superi i 40v, quindi se ho sempre il mio 7812, sul suo ingresso potrò fornire al massimo 52v;
un altro limite è la corrente di uscita, questi regolatori possono fornire massimo 2A.
Questo ultimo limite in realtà potrebbe essere anche molto più basso, perché dipende da vari fattori.
Ammettiamo di alimentare il nostro 7812 con una tensione di 30v, il nostro regolatore fornisce in uscita solo 12v, quindi i restanti 18v che fine fanno?
Semplice vengono dissipati in calore, e abbiamo pure già visto nell'articolo la legge di ohm, che questo valore ce lo possiamo calcolare.
Se il circuito deve dissipare in calore 18v, e allo stesso tempo sto richiedendo al mio alimentatore una corrente di 2A, allora il 7812 dovrà dissipare in calore una potenza di

P=VxI → 18x2=36W.

Questi 36W sono un po' tantini, quindi come prima cosa dobbiamo sicuramente dotare il 7812 di un bel dissipatore di calore, ma anche quest'ultimo potrebbe non bastare.
Fortunatamente il regolatore 7812 si auto-protegge, quindi quando il calore da dissipare diventa eccessivo, il regolatore va in protezione, evitando quindi la sua distruzione.
Allora per evitare che si riscaldi troppo, oltre al dissipatore di calore detto in precedenza, possiamo fare in modo che dissipi meno potenza, e per fare ciò abbiamo 2 alternative, o riduciamo la tensione di alimentazione, oppure dobbiamo accontentarci di prelevare meno corrente.
Ecco spiegato il motivo per cui questi 2A massimi dichiarati, sono teorici, poi nella pratica dipendono pure da quanto è la tensione di ingresso, e da quanto è raffreddato bene il regolatore.
Per questo motivo ho infatti posto un limite massimo di 24v ac in ingresso, ma in pratica se ci accontentiamo di prelevare qualche centinaio di milliampere, possimo pure alimentare il nostro circuito con una tensione superiore.
O ancora, se ci accontentiamo di prelevare qualche centinaio di milliampere, e alimentiamo il circuito con una tensione non troppo alta, esempio 12-15v, allora possiamo pure permetterci di ridurre le dimensioni del dissipatore di calore.

Dopo aver inserito il nostro regolatore 7812 nel circuito, dobbiamo pure inserire 2 condensatori, C2 e C3, uno è posto in ingresso ed uno in uscita dal regolatore, questi 2 condensatori sono consigliati dal costruttore del regolatore, che ci fornisce anche i valori da utilizzare, per evitare malfunzionamenti dello stesso.

Ovviamente tale circuito dovrà essere alimentato da una tensione alternata, compresa tra 12v e 24v, quindi è ovvio che non può essere collegato direttamente alla tensione a 220v di casa, ma deve essere collegato con l'ausilio di un trasformatore.

Il trasformatore normalmente ha un primario a 220v, ed un secondario a bassa tensione esempio 12v.
Grazie al trasformatore possiamo allora collegare il nostro circuito alla tensione di rete, collegando ovviamente il primario a 220v alla presa di casa, e l'uscita a 12v all'ingresso del nostro circuito.

Possiamo poi aggiungere pure un led che ci indica che il nostro alimentatore è acceso e in funzione, e magari inserire 2 morsetti a vite per facilitare i collegamenti del nostro circuito.

Ecco allora aggiunte 2 morsettiere J1 e J2 per effettuare comodamente i collegamenti, e aggiunto pure un led sull'uscita, con la sua resistenza R1 di limitazione, per segnalare il circuito acceso e funzionante.

Il pcb è già ribaltato, come si può notare dalla scritta, pronto per essere stampato e utilizzato con la tecnica di incisione che più preferite.

E infine la disposizione dei componenti sul pcb, su J1 andrà collegata la tensione alternata proveniente dal trasformatore, essendo alternata non c'è polarizzazione, quindi non c'è da rispettare nessuna polarità.
Su J2 invece c'è l'uscita a 12v dc, e qua essendo una tensione continua, c'è un positivo ed un negativo da rispettare, come contrassegnato in figura.

Il pcb dalla parte di IC1 è leggermente più lungo, per ospitare l'eventuale dissipatore di calore da avvitare al 7812, dissipatore che come detto sopra potrà essere pure più piccolo, tutto dipende da quanto è la tensione di ingresso, e da quanta correnta abbiamo necessità di prelevare.

Battery Check

In questo articolo, vi propongo un circuito battery check, un circuito in grado di visualizzare tramite led, lo stato della batteria.
Il circuito raffigurato, è adatto per batterie a 12v, presenti su auto, moto, scooter, ma una volta capito il funzionamento, lo si può adattate a diversi tipi di batterie.

Battery_check_1

Tutto il circuito ruota sempre intorno ad un amplificatore operazionale, utilizzato come comparatore di tensioni, anzi in questo caso 2 comparatori, perché ho voluto impostare 2 soglie di tensione, in modo da ottenere 3 diverse situazioni, 1-batteria carica, 2-batteria mezza scarica, 3-batteria scarica.

Il funzionamento del circuito comparatore è abbastanza semplice, quando la tensione presente sull'ingresso V+, è superiore alla tensione sull'ingresso V-, l'uscita del comparatore si porta a circa Vcc, diversamente l'uscita rimane a 0V.

Collegando all'uscita del partitore un led, con la rispettiva resistenza di limitazione, avrò che il led è acceso quando V+ è maggiore di V-, e ovviamente il led sarà spento quando V+ è minore di V-.

Adesso che è chiaro il semplice funzionamento del partitore, non ci resta che stabilire i valori di tensione, a cui vogliamo ottenere l'accensione o spegnimento del led.

Posso ad esempio inviare la tensione della batteria sull'ingresso V+, e poi una tensione di riferimento, ottenuta mediante l'utilizzo di un partitore resistivo sull'ingresso V-, e confrontare la tensione della batteria con la tensione di riferimento.

Battery_check_2

Prendendo ad esempio lo schema qua sopra, se collegato ad una batteria che presenta una tensione a piena carica di 13V, sull'uscita del partitore, e quindi sull'ingresso V- ottengo una tensione di:

Vout=R2/(R1+R2)xVcc → 10.000/(220+10.000)x13 → 10.000/10220x13 → 0,978x13=12,71V

A questo punto se sull'ingresso V+ ho la tensione proveniente dalla batteria di 13V e sull'ingresso V- ho una tensione proveniente dal partitore di 12,71V, ho che V+ è maggiore di V-, quindi uscita pari a circa Vcc e led verde acceso.

Adesso ammettiamo che la tensione della batteria cali per assurdo a 10V, sull'ingresso V+ ho una tensione di 10V e sull'ingresso V- ho una tensione di:

Vout= R2/(R1+R2)xVcc → 10.000/(220+10.000)x10 → 10.000/10220x10 → 0,978x13=9,78V

La tensione V+ è sempre maggiore di V-, e quindi il led verde sarà ancora acceso, e così per qualsiasi valore di tensione della batteria.

E' ovvio quindi, che la tensione di riferimento proveniente dal partitore, deve essere indipendente dallo scaricarsi della batteria, ergo il partitore non può essere collegato direttamente alla batteria.
Però nemmeno possiamo pretendere di utilizzare una alimentazione esterna, il circuito dovrebbe funzionare, alimentato dalla stessa batteria sotto controllo, e allora la soluzione da me adottata, è quella di utilizzare un regolatore di tensione, nello specifico un regolatore lm7809, che fornisce in uscita una tensione fissa a 9V indipendente dalla tensione della batteria.

La batteria ora può avere una tensione di oltre 13V, o 12V ,perfino scendere a 11V, che sull'uscita del regolatore, avrò sempre una tensione stabile a 9V.

In questo modo, ho risolto un problema, ma ne ho creato un altro.
Fissare una tensione di soglia ad esempio a 12,6V, non è più possibile, perché se dal regolatore escono 9V, al massimo potrò avere una tensione di riferimento di 9V, non di più.

Ecco allora l'idea di dividere per 2 tutte le tensioni, in modo da lavorare su tensioni intorno ad un valore di 6 - 6,5V.
Infatti posso misurare che una tensione di 13V è superiore ad una tensione di 12,6V, allo stesso modo in cui dividendo per 2, posso misurare che una tensione di 6,5V è superiore ad una tensione di 6,3V.
Alla fine il risultato non cambia, posso tranquillamente effettuare le stesse misure utilizzando però tensioni di riferimento inferiori ai 9V forniti dal regolatore.

La prima operazione da effettuare, sarà allora quella di dividere per 2 la tensione proveniente dalla batteria, e tale compito è affidato al partitore costituito da R1 ed R2.

Battery_check_3

Quando ad esempio la batteria presenta una tensione di 13V, nel punto A avrò una tensione di:

Vout= R2/(R1+R2)xVcc → 4700/(4700+4700)x13 → 4700/9400x13 → 0,5x13=6,5V

Se la batteria presentasse invece una tensione di 12,6V, nel punto A avrei una tensione di:

Vout= R2/(R1+R2)xVcc → 4700/(4700+4700)x12,6 → 4700/9400x12,6 → 0,5x12,6=6,3V

In pratica il rapporto del partitore costituito da 2 resistenze di uguale valore, è sempre 0,5, quindi qualsiasi valore di tensione, verrà diviso per 2, e nel punto A ci sarà sempre una tensione pari alla metà della tensione presente ai capi della batteria.

Adesso calcoliamo la tensione presente nel punto B, ovvero sull'ingresso V+ di U1A.

Battery_check_5

In quel punto il partitore è costituito da R5 ed R6, teniamo conto che il partitore è collegato sull'uscita del regolatore 7809, quindi nel punto B è presente una tensione di:

2700/(1200+2700)x9 → 2700/3900x9 → 0,692x9=6,23V

Allora quando la tensione nel punto A, è inferiore ad una tensione di 6,23V, avrò l'accensione del led rosso.
Abbiamo detto che però nel punto A è presente metà tensione della batteria, il che significa che il led rosso si accenderà quando la tensione della batteria è inferiore a 6,23x2=12,46V

Adesso calcoliamo pure la tensione presente nel punto C, ovvero sull'ingresso V- di U1B.

Battery_check_4

In quel punto il partitore è costituito da R3 ed R4, ed è anch'esso collegato sull'uscita del regolatore 7809, quindi nel punto B è presente una tensione di:

8200/(3300+8200)x9 → 8200/15000x9 → 0,713x9=6,42V

Notate che il partitore U1B è collegato al contrario di U1A, ovvero la tensione di riferimento adesso è collegata sul pin V-, quindi l'accensione del led verde, adesso si avrà quando la tensione nel punto A, è superiore ad una tensione di 6,42V.
Nel punto A è sempre presente metà tensione della batteria, il che significa che il led verde si accenderà quando la tensione della batteria è superiore a 6,23x2=12,84V

Battery_check_6

Grazie ai 2 partitori, ottengo 2 tensioni di riferimento diverse, inoltre collegando queste 2 tensioni ai 2 comparatori in modo invertito, ovvero nel primo comparatore sull'ingresso V+ e nel secondo comparatore nell'ingresso V-, ottengo pure un funzionamento invertito, cioè nel primo comparatore U1A, il led si accende quando la tensione della batteria è inferiore alla tensione di riferimento, mentre invece nel secondo comparatore U1B, il led sarà acceso quando la tensione della batteria è superiore alla tensione di riferimento.

In pratica:

1) Led verde acceso con tensione superiore a 12,46V
2) Led rosso accesso con tensione inferiore a 12,84V

A questo punto fino a quando la tensione della batteria rimane superiore a 12,84V, è verificata solo la situazione 1, quindi led verde acceso e led rosso spento.

Come la tensione della batteria scende sotto ai 12,84V è sempre verificata la situazione1, ma ora è verificata pure la situazione 2, quindi led verde acceso e pure led rosso acceso.

Quando la tensione della batteria scende sotto a 12,46V si verifica solo la situazione 2, la situazione 1 non è più verificata, quindi rimane acceso il led rosso, mentre il led verde si spegne.

Ricapitolando:

Tensione superiore a 12,84V solo led verde acceso (ok, la carica della batteria è superiore al 90%);

Tensione compresa tra 12,46V e 12,84V led verde e rosso accesi entrambi (attenzione la carica della batteria è scesa sotto al 90%);

Tensione inferiore a 12,48V solo led rosso acceso( pericolo, la carica della batteria è scesa sotto al 65%).

Ho scelto questi limiti di tensione, che corrispondono all'incirca al 90% e al 65% della carica, per segnalare in anticipo lo scaricarsi della batteria.
Ricordo che stiamo parlando di una batteria di avviamento, e che quindi deve rimanere sempre sufficientemente carica, una batteria mezza scarica non è più in grado di effettuare l'avviamento del motore.
Diciamo che sicuramente una carica superiore al 90% è una situazione normale, e non preoccupante.
Una carica inferiore al 90% non è ancora preoccupante, magari il mezzo è rimasto fermo diversi giorni, e l'elettronica di bordo ha scaricato leggermente la batteria, non è ancora una situazione preoccupante, comunque da tenere sotto controllo, dovrebbe risolversi percorrendo diversi chilometri, permettendo così la ricarica attraverso l'alternatore del mezzo.

Un livello di carica sotto al 65%, è sicuramente preoccupante, c'è il rischio concreto di rimanere a piedi, quindi la batteria deve essere ricaricata con un caricabatterie.

Al posto di utilizzare 2 led uno rosso e uno verde, può pure essere collegato un led bicolore rosso/verde a catodo comune.
Il led bicolore a catodo comune ha 3 terminali, un terminale negativo, un terminale positivo per il led rosso, e un terminale positivo per il led verde.

Quando oltre al terminale negativo, è alimentato solo il terminale per il led rosso, ovviamente il led si illumina di rosso, quando è alimentato solo il terminale per il led verde, ovviamente il led si illumina di verde, ma la cosa interessante è che quando i terminali sono alimentati entrambi, il led si illumina di arancio.

In questo modo ho un solo led che cambia colore a in base alla situazione:

Tensione superiore a 12,84V led colore verde;

Tensione compresa tra 12,46V e 12,84V led colore arancio;

Tensione inferiore a 12,46V led colore rosso.

Nello schema finale sono stati aggiunti pure 2 condensatori C1 e C2 per il corretto funzionamento del 7809, sono condensatori da utilizzare come da istruzioni fornite dal costruttore nel foglio dati o datasheet.

Infine lo schema di montaggio, anzi gli schemi di montaggio, perché ho disegnato sia il collegamento da effettuare con 2 led rosso e verde, e sia il collegamento da effettuarsi con un solo led bicolore rosso/verde, ricordo a catodo comune.

Immagini/Battery_Check_pcb2.png

R1,R2=4,7K
R3=3,3K
R4=8,2k
R5=1,2k
R6=2,7K
R7,R8=390
C1=330nF
C2=100nF
IC1=Lm7809
IC2=LM358
Led1=Led rosso
Led2=Led verde