Fondazione Villaggio dei ragazzi

“Don Salvatore D’Angelo”

ISTITUTO

TECNICO INDUSTRIALE

ALLIEVI: FUSCO RAFFAELE

SABATINO SALVATORE

SEANO GIOSUE’

ANNO SCOLASTICO 2004-2005

Prefazione

La nostra tesina intende fornire alla commissione d’esame una chiara visione su argomenti scelti da noi secondo un indice di gradimento.

Date le conoscenze conseguite nel corso del triennio, noi allievi, abbiamo cercato di mostrare praticamente quanto assimilato. Lo scopo è stato quello di costruire un circuito con eccitazione di un relè tramite una telefonata.

Per quanto riguarda le materie tecniche, abbiamo preferito affrontare lo studio dei componenti che costituiscono il lavoro da noi presentato.

Gli approfondimenti riguardanti le materie umanistiche sono stati trattati da noi in modo differente.

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Il circuito realizzato è a casa del prof.

Tratto da un progetto pubblicato su Rivista mensile N.211\2002 Nuova Elettronica

CAPITOLO I

Funzionamento e spiegazione del progetto

Per spiegare il funzionamento del circuito occorre descrivere in via preliminare il suo funzionamento.

Innanzitutto abbiamo i due commutatori S1 ed S2 che consentono di impostare una chiave numerica di identificazione composta da due cifre decimali comprese fra 0 e 9.

Supponiamo di aver impostato il codice di identificazione a 1-1; quando si compone il numero di telefono collegato all’apparecchio, questo attende che vi siano cinque consecutivi di linea libera. Dopo il quinto squillo l’apparecchio invia in linea dieci note acustiche trillanti. Poiché il codice identificativo ha per prima cifra 1, non bisogna ascoltare tutte e dieci le note, ma dopo la prima nota bisogna fare un fischio o pronunciare una parola qualsiasi ad alta voce. Questo ha l’effetto di far ripartire l’invio delle dieci note. Stavolta occorre attendere un numero di note coincidente alla seconda cifra del codice identificativo; nel nostro esempio la seconda cifra è ancora un uno.
L’apparecchio in questo modo eccita il relè, mantenendo in linea una nota acustica continua per avvisare che il relè si è regolarmente eccitato.

SPIEGAZIONE DEL CIRCUITO

Normalmente, in condizioni di riposo, sull’ingresso della linea vi è una tensione positiva di circa 40Volt. Una chiamata dall’esterno provoca l’invio da parte della centrale telefonica di una tensione alternata di 150 Volt.

In condizioni normali il relè RL1 è diseccitato per cui il suo contatto di scambio è in posizione tale che la linea d’ingresso è connessa al ponte di Graetz RS1. La situazione è descritta nella figura seguente:

La tensione alternata viene raddrizzata dal ponte di Graetz.[Approfondimenti riguardanti il ponte di Graetz sono stati trattati in appendice da pagina 1 a pagina 5]

Questa tensione raddrizzata viene poi resa prossima a quella continua del condensatore C3. [Approfondimenti riguardanti i diodi Zener sono stati trattati in appendice da pagina 6 a pagina 13]

Tenendo presente che il diodo zener mantiene ai suoi capi una tensione continua di 33 Volt e che in R3 circola una corrente dell’ordine dei 10mA si ha che la tensione massima ai capi di C3 sarà:

VC₃=V_MAX-V_Z-R₃*I

VC₃=150-33-5.6*10³*10*10^-3

VC₃=150-33-56 ≈ 60 Volt

Tenendo presente che vale la formula

∆V=I\2fC₃

∆V=10*10^-3\100*10*10^-6

∆V=10*10^-3\10^-3

∆V=10Volt

Abbiamo dunque un ∆V di ripple residuo di una decina di Volt; la resistenza R4 limita la tensione ai capi del diodo emittente del fotoaccoppiatore.

Immaginandolo come un interruttore che si chiude, si vede che esso porta la base del transistor TR1 alla tensione di 5Volt prodotta dall’integrato 7805; questo integrato insieme a RS2 e al trasformatore TR1 costituisce un alimentatore stabilizzato da 5 Volt.[Approfondimenti riguardanti l’alimentatore stabilizzato sono stati trattati in appendice da pagina 14 a pagina 18]

La resistenza R6 serve a limitare la corrente che entra in TR1

5=R6*I_B+V_BE

I_B=5-V_BE\R6

I_B=5-0.7\1.2*10³

I_B=(4.3\1.2)*10^-3

I_B=3.5mA

Essendo TR1 in saturazione il catodo del diodo led DL2 va a massa ed esso si illumina, R8 limita la corrente il DL2.[Approfondimenti riguardanti i diodi Led sono stati trattati in appendice da pagina 19 a pagina 22]

5=V_DL2+R8*I_D

I_D=5-V_DL2\R8

I_D=5-1.7\330

I_D=3.3\330=1*10^-2

I_D=10mA

Andando in saturazione il transistor TR1 porta praticamente a massa il suo collettore e quindi l’ingresso 19 del microprocessore IC3 che così può contare gli squilli telefonici.

Il programma del microprocessore IC3 fa in modo che quando si contano cinque impulsi a zero sul piedino 19, si porta il pin 22 a livello uno. Questa operazione manda in conduzione il transistore TR3. R27 limita la corrente nelle base di TR3.

V=V_BE+R27*I_B

I_B=V-V_BE\R27

I_B=5-0.7\4.7*10³≈1mA

Entrando in conduzione TR3, la corrente di collettore eccita la bobina del relè RL1.[Approfondimenti riguardanti il Relè sono stati trattati in appendice da pagina 23 a pagina 32 ]

DS1 è un diodo che si mette in parallelo alla bobina di eccitazione del relè per proteggere il transistore da impulsi di tensione negative che si possono avere quando si usano circuiti induttivi. DL1 indica che si è avuta l’eccitazione del relè RL1. R9 limita la corrente nel diodo DL1. L’eccitazione del relè RL1 porta così alla spostamento del suo contatto di scambio per cui la linea d’ingresso viene scollegata dal ponte RS1 e portata in ingresso all’operazionale IC2-1.

A questo punto il microprocessore genera attraverso le sue uscite analogiche (pin 21) le note acustiche.

Tale segnale viene filtrato prendendo un filtro costituito dall’operazionale IC2-D.

La situazione è quella rappresentata in figura 1:

Figura 1

Se teniamo presente che per le ipotesi semplificative sull’operazionale ideale, i morsetti + e – sono alla stessa tensione la situazione è quella della figura 2

Figura 2

VALORI

C14=22*10^-9

C15=10*10^-9

R24=15*10³

R25=15*10³

Abbiamo un circuito RC, filtro passa basso seguito da un buffer di isolamento.[Approfondimenti sugli operazionali sono stati trattati in appendice da pagina 33 a pagina 52]

Le note acustiche generate dal microprocessore ed inviate in linea attraverso l’operazionale IC2-D saranno continue se il relè RL2 risulta già eccitato, e saranno trillanti se il relè è diseccitato. Il fischio o la parola che inviamo tramite la linea telefonica all’apparecchio vengono filtrati dall’operazionale IC2-A che è in configurazione passa banda non invertente.

Da notare le due resistenze R10 ed R11 entrambe a 100KΩ. Esse servono per traslare verso l’alto il segnale d’ingresso nel caso in cui l’operazionale, come in questo caso, sia ad alimentazione singola[Approfondimenti riguardanti i circuiti con alimentazione singola sono stati trattati in appendice da pagina 53 a pagina 58].

Abbiamo detto che l’operazionale è in configurazione amplificatore passa banda non invertente, con una banda molto stretta;

Frequenza di taglio inferiore

F_ti=1\2πR₁₂C₆=

F_ti=1\6.28*10⁴*10⁴*10^-12=

F_ti=1\6.28*10^-4=

F_ti=10*10³\6.28=

F_ti=1.59KHz

Frequenza di taglio superiore

F_ts=1\2πR₁₃C₇

F_ts=1\6.28*3.3*10⁵*270*10^-12=

F_ts=1\6.28*3.3*2.7*10^-5=

F_ts=10⁵\55.95=

F_ts=1.78KHz

Il condensatore C₈ è un condensatore di accoppiamento tra i due stati IC2-A ed IC2-B; R₁₄ stabilisce la resistenza di ingresso (100 KΩ) per l’operazionale IC2-B

IC2-B funge da PEAK DETECTOR e serve a rilevare i picchi positivi del fischio filtrato da IC2-A.

Si noti infatti che grazie alla presenza del diodo, si ha alimentazione del condensatore C₉ soltanto quando l’uscita dell’operazionale è a livello logico alto. Il condensatore si carica con una τ di carica:

τ=C₉R₁₅=

τ=10^-6*10⁵=

τ=10^-1=

τ=0.1s

e si scarica con una τ di scarica

τ_scarica=C₉R₁₆=

τ_scarica=10^-6*4.7*10⁵=

τ_scarica=4.7*10^-1=

τ_scarica=0.47s

La tensione del condensatore va al morsetto invertente di IC2 che la compara con la tensione di riferimento posta al morsetto positivo:

V_REF= V_CC*R₁₈\R₁₇+R₁₈

V_REF=5*10⁴\2.2*10⁴+10⁴

V_REF=5*10⁴\3.2*10⁴

V_REF=5\3.2=1.5 Volt

Superata tale soglia, l’uscita di IC2 va a massa ; ciò viene segnalato dall’accensione del transistor TR2. Si noti che questo è un transistor PNP, in cui il catodo è a massa.

Per far illuminare il LED si deve avere una corrente positiva che attraversi il LED e giunga al collettore, ciò presuppone che la giunzione base-emettitore venga polarizzata direttamente, e per questo deve andare B a massa.[Approfondimenti riguardanti il BJT sono stati trattati in appendice da pagina 59 a pagina 70]

R19 serve a limitare la corrente nella base quando l’uscita dell’operazionale IC2 è a livello logico alto.

Intanto il microprocessore riceve attraverso il piedino 17 l’informazione sul rilevamento del fischio. Se il microprocessore rileva che l’impulso è pervenuto dopo la nota impostata secondo il codice con i selettori S1 ed S2, esso inverte il livello logico sul piedino 23. Attraverso il transistor TR4, tale piedino comanda la bobina di eccitazione del relè RL2. Se l’uscita del piedino 23 è a livello logico alto TR4 va in saturazione, e quindi circola corrente nella bobina di eccitazione, chiudendo in questo modo i contatti.

Se l’uscita del piedino 23 va a livello logico basso, TR4 va in interdizione e il relè RL2 viene diseccitato.

DS3 è un diodo di protezione, che protegge il transistor da impulsi magnetici di tensione a causa del carico induttivo offerto dalla bobina di eccitazione.

Quando viene eccitato il relè si accende anche il diodo LED DL4.

L’alimentazione del relè viene offerta dal circuito raddrizzatore costituito dal ponte di Graetz.

Il trasformatore dà una tensione efficace sul secondario di 10 Volt, quindi

V_MAX=V2* 10 Volt

V_MAX =14 Volt

In uscita del ponte di Graetz dobbiamo togliere le cadute di tensione sui due diodi, e quindi:

V_OUT=V_MAX-2V_D=

V_OUT=14-12=

V_OUT=12 Volt

FUNZIONI DEI QUATTRO DIODI LED

Sul pannello frontale del mobile sono disposte le quattro gemme cromate dei diodi led DL1- DL2- DL3- DL4 che servono da lampade spia.

RING (diodo DL1): questo diodo led, collegato al collettore del transistor TR1, si accende ogni volta che nella linea giungono i 150 volt alternati che fanno squillare la suoneria del telefono.

ON LINE (diodo DL2): questo diodo led si accende dopo cinque squilli telefonici. Quando questo diodo si accende, significa che il relè RL1 si è eccitato scollegando il ponte raddrizzatore RS1 dalla linea telefonica

TONE (diodo DL3): questo diodo si accende per ognuna delle dieci note emesse dal microprocessore.

LOAD (diodo DL4): questo diodo led si accende nell’istante in cui il relè RL2 si eccita, e si spegne quando il relè RL2 si diseccita.

LE FUNZIONI DEI QUATTRO PULSANTI

In questo circuito ci sono quattro pulsanti siglati P1-P2-P3-P4.

I pulsanti visibili sul pannello frontale del mobile, ci permettono di eccitare e di diseccitare manualmente il relè RL2 senza dover utilizzare un apparecchio telefonico esterno.

P1: premendo questo pulsante simuliamo gli squilli che giungono dalla linea telefonica e infatti, ogni volta che pigiamo P1, si accende il diodo DL1. Dopo aver pigiato cinque volte consecutive questo pulsante, si accende il diodo led DL2 che ci conferma che il relè RL1 di linea si è regolarmente eccitato.

P2: utilizziamo questo pulsante per fissare il codice presalvato sui due commutatori binari (S1-S2). Ovviamente non è possibile ascoltare le note acustiche dal nostro apparecchio telefonico, ma possiamo invece vederle tramite il diodo led DL3 collegato all’emettitore del transistor TR2.

P3: RL2 on: quando il relè è diseccitato ( vedremo il diodo led DL4 spento), noi possiamo eccitarlo premendo questo pulsante.

P4: RL2 off: quando il relè RL2 è eccitato (vedremo il diodo led DL4 acceso), noi possiamo diseccitarlo premendo questo pulsante.