isidoro KZ:
Ecco la spiegazione. Ho anche cambiato il circuito perche' avevo saltato una inversione :(
Il circuito ha due pulsanti, ON e OFF per accendere e spegnere la lampada. Essendo gia` presente un interruttore di potenza (MOS), lo si puo` utilizzare anche come interruttore per l'accensioe e lo spegnimento "normali".
Quando si preme il pulsante ON viene accesa la lampada che rimane a piena potenza finche' la batteria eroga piu` di 10.5V. A questo livello di scarica, la lampada comincia a pulsare fra piena luce e luce ridotta, con periodo di un secondo circa. Quando la tensione di batteria scende a 10V, la lampada viene spenta.
Bello il circuito e dettagliatissima la descrizione di funzionamento.
Saluti Emanuele.
Anche con lampada spenta a causa della tensione troppo bassa, tenendo schiacciato ON si mantiene comunque la lampada accesa (accensione di emergenza).
Il problema generale di questi circuiti e` che quando spengono la lampada, la tensione di batteria risale e anche di parecchio. E` necessario quindi utilizzare un FF che memorizzi lo stato del sistema, anche se la tensione torna livello elevato (soluzione di i2viu) oppure usare un comparatore con isteresi (questo circuito) in grado di non essere fatto commutare accidentalmente dalla risalita della tensione di batteria quando viene spenta la lampada.
Testare il circuito con un alimentatore da banco non simula questo effetto e quindi si rischia di vedere un funzionamento corretto in una situazione non reale (mancanza della resistenza interna della batteria)
Il circuito e` formato da due comparatori con isteresi, uno con soglie di 10V e 14V che fornisce l;'uscita R (stato RED) l'altro con soglie 10.5V e 14.5V circa, con uscita Y (stato YELLOW). Entrambe le uscite R e Y sono attive alte.
La parte "logica" e` formata da due multivibratori a 1Hz e 100Hz circa, le cui uscite sono in AND con i diodi, e vanno alla porta NAND di driver. I due oscillatori sono controllati dal segnale R* (R negato). Quando R va alto i due oscillatori sono fermati e le due uscite vanno a livello alto.
Quando si applica tensione la prima volta, il condensatore da 1uF,inizialmente scarico, porta le due uscite R e Y a livello alto. Questi due segnali fanno arrivare agli ingressi dell'ultima porta nand (la porta collegata al mos) due livelli alti, l'uscita va a livello basso e la lampada e` spenta. Anche se le batterie sono completamente cariche, non riescono ad arrivare a 14V e a far scattare i comparatori.
Quando si preme il pulsante ON, entrambe le uscite Y e R vanno a livello basso, e se la tensione di batteria e` maggiore di 10.5V, restano entrambe a livello basso.
Con Y=R=L il mos viene acceso da Y che va direttamente alla porta driver. I due oscillatori oscillano, ma questo non cambia l'uscita del nand driver.
Durante il transitorio di accensione si verifica un altro tipico problema: la corrente iniziale della lampada e` circa un ordine di grandezza maggiore di quella a regime. In fase di accensione la tensione di batteria puo` andare in transitorio al di sotto di 10V. Mantenendo pero` il pulsante ON premuto per un tempo "umano", la lampada ha il tempo di andare in temperatura e quindi non scatta la protezione di bassa tensione.
Quando la tensione scende al di sotto di 10.5V, il segnale Y va alto, e abilita il segnale di chopping modulato a raggiungere il gate del mos. L'AND dei due oscillatori e` un segnale che sta a livello L per circa mezzo secondo, accendendo la lampada a piena luce e per circa mezzo secondo commuta a 100Hz fra H e L, accendendo la lampada a luce ridotta.
Quando la tensione scende ulteriormente e raggiunge 10V, anche R diventa attivo, spegne gli oscillatori forzandone l'uscita ad H. La porta NAND di pilotaggio MOS riceve in ingresso due livelli H, l'uscita va a L e spegne il mos.
Se durante il periodo di accensione si preme il pulsante OFF, i due comparatori vengono forzati con R=Y=H e la lampada si spegne. In questa situazione la tensione di batteria non riesce comunque a raggiungere le soglie alte di 14V o piu` e quindi i comparatori non commutano e la lampada rimane spenta.
Alcune osservazioni sul progetto del circuito (della serie: non basta mettere dei valori a caso, meglio pensarci su :)).
Il condensatore da 1uF garantisce la partenza iniziale in stato spento, e filtra i disturbi presenti sulla alimentazione quando il circuito choppa. La frequenza del polo dato da questo condensatore e` di circa 4 Hz, sufficentemente piu` bassa della frequenza di chopping per ridurre il rumore.
Condensatore e zener devono essere collegati alla stessa barra di alimentazione (in questo caso negativo) per avere la reiezione dai disturbi di alimentazione.
Le due R da 1k in serie ai pulsanti servono sia per allungare la vita ai pulsanti (che si trovano a caricare o scaricare un condensatore da 1uF) sia soprattutto ad evitare un cortocircuito distruttivo per i pulsanti stessi se si premono tutti e due contemporaneamente.
La resistenza di polarizzazione dello zener e` frutto di un compromesso. Un valore piu` basso riduce l'impedenza del riferimento di tensione, e quindi migliora in linea di principio il funzionamento dei comparatori che iniettano una corrente diversa nel riferimento di tensione a seconda che l'uscita del comparatore sia H o L.
Un valore piu` alto di questa resistenza riduce invece il consumo di corrente. Un miglioramento sostanziale di questa sezione potrebbe essere fatto sostituendo lo zener con un riferimento di tensione: si ridurrebbe il consumo e migliorerebbe decisamente la precisione (gli zener hanno tolleranze "fuori tutto" abbastanza elevate).
Altra considerazione nella scelta della resistenza dello zener riguarda l'attenuazione del rumore dell'alimentazione, che viene ripartito fra la resistenza differenziale dello zener e la resistenza di polarizzazione.
Guardando il data sheet fairchild,
http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/fairchild/BZX55C5V… si osserva che a 5mA di corrente rz=35ohm, mentre a 10mA, rz=10ohm. Per avere 5mA serve una R da 1kohm circa, mentre per 10mA ci vogliono 500ohm. Se si va a calcolare l'attenuazione del ripple, si ottiene a 5mA una riduzione di circa 30 volte, mentre a 10 mA si ottengono circa 51 volte di riduzione. Ho scelto una via di mezzo, circa 40 volte. La tensione di ripple e` minore di 2V, e quindi si hanno circa 50mV di ripple. Si potrebbe fare di meglio, usando un riferimento di tensione, ma probabilmente non ne vale la pena.
Anche la considerazione che uno zener da 5V circa ha la migliore stabilita` in temperatura in questo caso non ha particolare importanza, ma perche' non prendere le buoni abitudini :)
I comparatori sono realizzati con degli operazionali a singola alimentazione. Il fatto di usare op amp al posto di voltage comparator non da` particolari problemi in questo caso: lo slew rate e` minore e le tensioni di uscita non sono programmabili. Il valore di tensione di uscita a livello alto e` abbastanza incerto (probabilmente dalle parti di 1V-1.5V in meno rispetto all'alimentazione), ma questo parametro non e` molto importante perche' influenza solo la soglia alta del comparatore, che non viene comunque mai raggiunta.
Le reti resistive intorno ai comparatori hanno un valore sufficientemente alto per non caricare l'uscita a livello alto e permettere un livello alto riconoscibile con sicurezza dal 4093. D'altra parte i valori di resistenza non sono neppure troppo alti per non avere problemi di correnti di bias e di offset.
Inoltre un valore elevato di resistenze non inietta troppa corrente sul riferimento di tensione. La variazione di corrente iniettata verso il riferimento di tensione e` dell'ordine di 80 uA, ampiamente trascurabile.
Non ho bilanciato le resistenze viste dai due morsetti del comparatore, (circa 40kohm e 20 kohm) in quanto
ho ritenuto gli errori introdotti (dell'ordine dei millivolt) trascurabili rispetto agli altri errori.
La parte logica non ha particolari scelte: i multivibratori sono stati calcolati con la relazione f=1.18/RC (se non ho preso troppe papere nel fare i conti). La resistenza di pull-up inietta una corrente Iol di circa 1mA, ampiamente compatibile con le porte.
Il mos non ha la solita resistenza in serie al gate perche' in questo caso non serve. L'elevata resistenza di uscita della porta smorza qualunque risonanza. Non e` neanche presente la resistenza fra gate e source, perche' il driver e` un totem-pole ed e` sempre alimentato quando e` anche alimentato il carico.
L'ultimo punto e` la stima dei tempi di accensione e spegnimento del mos. La resistenza di uscita del nand non e` lineare, in quanto e` data da un mos in zona triodo. Non vale la pena di fare conti precisi, ma una stima per il valore equivalente potrebbe essere dell'ordine delle svariate centinaia di ohm. La capacita` complessiva di ingresso del mos e` dalle parti di svariati nF (dipende dalla versione del mos, da che definizione di capacita` si considera).
In totale il tempo di accensione e spegnimento e` , come ordine di grandezza, dalle parti di un po' di microsecondi. QUesto valore sarebbe totalmente inaccettabile in un sistema ad alta velocita`, ma per un circuito con frequenza di commutazione di 100Hz e` ampiamente adeguato.
Nel circuito mancano i condensatori sulle alimentazioni, e ci sono ancora un paio di errorini, ma non essendo un progetto ad alta affidabilita`, va bene cosi` :)
