Timer con CD40106
Durante l'inverno collaboro con alcuni miei amici nella realizzazione del presepe parrocchiale.
Avendo la necessità di attivarlo solo alla presenza di persone, ed avendo solo un sensore PIR per allarme, mi sono deciso a riciclare molti componenti che avevo in giro, giungendo ad un timer molto affidabile, ma non molto preciso nei tempi.
Situazione iniziale
Eccomi quà, è arrivato l'inverno ed è ora di preparare il presepe parrocchiale.
Cosa succede quest'anno? Visto che il presepe consumava parecchia energia a causa delle lampadine ad incandescenza (ora sostituite con luci led realizzate in casa), l'ipotesi del timer per attivarlo è stata accantonata dopo solo un anno di utilizzo; quindi, che fare?
Visto che la stanza in cui montiamo il presepe è piccola e, salvo visitatori non ci và nessuno, perchè non utilizzare un sensore di movimento per le luci?
L'idea è buona, ma dati i pochissimi fondi disponibili, dobbiamo ogni anno spremere ogni centesimo da ogni acquisto, quindi spendere 20-30€ per un sensore commerciale (che tra l'altro può avere problemi con i carichi induttivi) non è fattibile.
Allora, come realizzare un sensore di movimento temporizzato a basso costo, molto affidabile e che garantisca un tempo di accensione minimo di 5 minuti?
Rispolverando quelli che un famoso conduttore televisivo definirebbe come "i cassetti della memoria", la soluzione si è presentata immediatamente: utilizzare una rete R-C come temporizzatore!
Analisi dei problemi
L'idea è ottima, ma presenta molti problemi:
- Cosa ho a disposizione per temporizzare?
- Come si può utilizzare un sensore NC per attivare un timer NO?
- Come si può interfacciare semplicemente una rete R-C con un transistor, senza che la corrente di questo scarichi i condensatori prima del tempo?
- Come si può espandere il progetto per future implementazioni?
L'utilizzo di una rete R-C, almeno a quanto mi dicono il libro di fisica2 e wikipedia, mi garantisce una costante di tempo T data da R*C, ovvero dopo T, la tensione sul condensatore vale circa 1/3 della tensione iniziale.
La teoria è perfetta: utilizzando un trimmer da 1MΩ, con i condensatori che avevo a disposizione (per un totale di 123µF), avrei potuto ottenere un tempo di 123s teorici.
Visto che le variazioni di capacità potrebbero portare a tempi leggermente più corti, l'utilizzo di un resistore da 47kΩ in serie al trimmer può aiutare ad allungare leggermente i tempi (oltre a risolvere un problema di corto circuito in caso di settaggio a 0).
Dati i calcoli, il tempo di 5 minuti non è affatto rispettato, quindi dovrei aumentare la capacità di C, ma alla fine, quando c'è gente in movimento, il sensore si attiverà spesso, resettando il conteggio del timer ad ogni piccolo movimento.
Risolto il problema della temporizzazione, come posso interfacciare un segnale attivo a livello 0V per attivare il timer?
La rete R-C, come ho già detto, si deve scaricare per disattivare il timer, quindi come posso caricarla quando all'uscita del sensore arrivano 0V?
La soluzione, anche in questo caso è abbastanza banale: un inverter con un transistor NPN che ho a disposizione.
Seguendo il classico schema per un inverter logico a transistor npn, la soluzione è banale: una resistenza da 10kΩ (la prima che avevo a disposizione) sulla base del transistor, che lo proteggerà; una resistenza da 1.1kΩ (la seconda di valore relativamente basso a disposizione) tra positivo e collettore e, infine, l'emettitore a massa.
Con questa configurazione, il transistor è sempre in conduzione durante la NON rilevazione di movimento, ciò comporta un potenziale tra il collettore e la massa uguale a 0.
Durante il rilevamento di movimento, il transistor andrà in interdizione, comportanto un aumento di potenziale tra il collettore e la massa; sarà proprio questo potenziale a caricare i condensatori della rete R-C.
Risolto il problema del caricamento dei condensatori durante il rilevamento, è sorto un problema di scaricamento dei condensatori durante il NON rilevamento: poichè il transistor và in conduzione, la sua conduzione avrebbe scaricato immediatamente i condensatori, rendendo vana ogni carica.
A venirmi in aiuto è stato un diodo, il classico 1N4148: collegandolo con l'anodo al collettore del transistor ed il catodo al positivo della rete R-C, mi avrebbe permesso la carica dei condensatori e, allo stesso tempo, mi avrebbe impedito la scarica di questi sul transistor.
Risolti questi problemi, ora viene il bello (o brutto, a seconda della giornata): come diavolo posso rilevare la carica della rete R-C senza scaricarla? Mi servirebbe un rilevatore ad alta impedenza.
Problema: non ho operazionali a disposizione, quindi che faccio?
Curiosando tra i vari componenti a disposizione, mi sono accorto di avere un CD40106 a disposizione.
Questo componente è un inverter con ingresso trigger schmitt alimentabile a 12V e con una corrente di ingresso abbastanza bassa da non interferire tanto con la scarica del condensatore sul trimmer.
Selezionato l'unico componente a disposizione, ora come verrà modificato il tempo di attivazione?
Leggendo il datasheet, ho notato che la soglia per rilevare lo stadio L logico, è circa 1/3 della tensione di alimentazione: CIRCA COME LA COSTANTE DI TEMPO DELLA RETE R-C!
Questo, quindi non scombinerà tanto i calcoli come tempo minimo di disattivazione.
Continuando a leggere il datasheet, ho notato che la soglia minima per rilevare il livello L, si estende fino a circa 1V, quindi l'integrato potenzialmente potrebbe allungarmi pure i tempi di attivazione del timer (mica male!).
Quindi, risolti i problemi del tempo e dell'interfacciamento, non mi resta altro che attivare il relè durante la scarica di C.
Visto che l'integrato è un inverter, durante la scarica avrà livello L, ma visto che lo stesso integrato contiene altre 5 porte, basterà collegare l'ingresso di una di queste all'uscita di quella utilizzata per la rilevazione della tensione su R-C per riportare i livelli logici a posto.
In uscita del secondo stadio dell'integrato, basta utilizzare una resistenza da 470(ed oltre)Ω da collegare alla base del transistor che andrà a pilotare il relè, per limitare la corrente sull'IC.
Finita la costruzione, sorge un ultimo dubbio: come posso espandere il progetto per interfacciarlo con progetti futuri?
Semplice:
- se volessi resettare il timer, basterebbe inserire un pulsante NO in parallelo a C
- se volessi disattivare l'ingresso, basterebbe inserire un fotoaccoppiatore tra i 12V e l'ingresso del timer
- se volessi attivare il timer a piacimento, potrei tranquillamente portare a massa l'ingresso del timer inserendo una resistenza all'uscita del sensore ed un pulsante o fototransistor tra l'ingresso del timer e la massa.
Conclusione
Questo circuito, realizzato qualche anno fà, non solo ci ha fatto risparmiare ulteriori litigi con il sacrestano (il quale continuava a staccare il timer dalla presa della corrente, causando sempre problemi con gli orari di accensione e la delusione dei visitatori per un presepe sempre spento), ma ci ha permesso anche di risparmiare parecchia corrente a costo quasi zero (ho dovuto acquistare solamente la morsettiera).
Durante questi anni, il circuito si è dimostrato molto robusto, anche se poco preciso nei tempi; per questo motivo è stato inserito un pulsante come descritto nel terzo punto sopra: premendolo si riattiva il timer.
Schema elettrico
Schema del timer
Al di là della lunga descrizione di funzionamento e, probabilmente a qualche confusione generata, lo schema elettrico è molto semplice e, a differenza dei componenti utilizzati nella mia realizzazione, in questo schema è riportato un condensatore più capiente ed una resistenza fissa al posto del trimmer (purtroppo su LT spice non riesco a trovare il simbolo del trimmer)
Realizzazione
Per motivi di spazio e materiale a disposizione, ho separato la scheda contenente il relè e l'alimentatore da quella contenente il timer vero e proprio e, vista la banalità della prima sezione, ho fotografato solo la sezione timer.
Realizzazione del timer su una basetta millefori.
Note finali
Forse molti di voi mi chiederanno perchè non ho usato un ne555 o un pic?
La risposta è semplice: a quel tempo, non conoscevo ancora bene il ne555 e, utilizzare un pic per questa applicazione significava solamente sprecare tanto tempo quanto denaro.
Certamente il circuito veniva più semplice con un pic (il pic, il regolatore a 5V ed un paio di resistenze), ma a conti fatti, mi costava 5 volte tanto, a livelli di tempo per lo sviluppo del sw avrei perso tanto tempo e, in caso di disturbi sull'alimentazione (il presepe conta molti carichi induttivi che causano interferenze), chi mi garantiva che il pic non si bloccasse in uno stato indefinito? (sempre acceso o sempre spento)
Quindi, in conclusione, l'utilizzo di componenti e logiche discrete mi ha aiutato non solo a comprendere maggiormente alcuni principi di fisica, ma anche ad incentivare un pensiero creativo per realizzare qualcosa di complesso con pochi componenti semplici.
Inoltre, il principale vantaggio di questo timer è la possibilità di regolarne i tempi di accensione andando ad interagire solamente con il trimmer da 1MΩ
