THE ELECTRIC WAVE


 TRASFORMATORE PIEZOELETTRICO

 

Se c'è necessità di alimentare dispositivi a basso consumo, si possono utilizzare accoppiatori infrarossi, celle solari, batterie o trasformatori di bassa potenza anche se quest'ultimi possono essere ancora troppo ingombranti per lo scopo prefissato. Alla fine, con l'eccezione delle celle solari, tutti prelevano energia dalla rete elettrica, quindi può diventare conveniente utilizzare un trasformatore piezoelettrico se la potenza richiesta è tra 0.1 e 0.3 mW. Lo schema mostra la possibile realizzazione. Due trasduttori acustici sono incollati tra di loro in modo tale che il movimento del primo, il primario, è trasferito al secondo, il secondario. L'uscita in alternata può essere utilizzata così come è o rettificata per alimentare circuiti a bassissimo consumo o come carica tampone per piccole batterie. La realizzazione richiede due trasduttori ceramici con un'alta capacità intrinseca: trasduttori con capacità da 80 a 110nF sono facilmente disponibili e si presentano come dischi da 50mm di diametro. Due di questi dischi sono tagliati a 35mm di diametro in modo da evere un'unità più compatta e una capacità parassita più bassa tra primario e secondario. Uno strato di biadesivo è posto sulla superficie più grande di ciascun trasduttore in modo da assicurare un adeguato isolamento elettrico tra primario e secondario. Le due parti sono quindi pressate una contro l'altra e il trasformatore è pronto per funzionare.

R  Load

VCA

VCC

100 K?

5.1

4.67

47 K?

4.22

3.29

22 K?

2.77

2.06

10 K?

1.41

1.1

4.7 K?

0.68

0.56

La tabella riporta la tensione d'uscita in funzione del carico: la tensione alternata è stata misurata con il carico direttamente sui terminali del secondario mentre l'uscita in continua è stata misurata inserendo un ponte rettificatore che utilizza dei diodi schottky per avere una bassa caduta di tensione, ma l'uso di diodi standard tipo 1N4004 decrementa la tensione d'uscita solo di un modesto 6-8%. Le misure sono state eseguite con il trasformatore in "aria", senza nessun sostegno, ma è indispensabile metterlo in un contenitore di plastica che blocchi il bordo del disco, sia per una sicurezza elettrica che per migliorare il trasferimento di energia fornendo così una tensione più alta del 15-20%.


OSCILLATORI A PUNTA DI CONTATTO

Il principio di funzionamento di un clacson è stato applicato sia ad un trasduttore acustico piezoelettrico che ad un altoparlante. Un'interruzione nella corrente di alimentazione causa la vibrazione del trasduttore piezoelettrico o della membrana dell'altoparlante. Circuiti simili si posssono realizzare anche senza il trasformatore ma il campo delle tensioni sarà limitato, ci sarà un eccesso di scintillio nel punto di contatto e la pressione e posizione del contatto stesso diventano critici. Il trasformatore introduce un meccanismo di controreazione che elimina o riduce drasticamente tutti gli effetti negativi appena menzionati. Un trasformatore d'uscita è utilizzato in entrambi i circuiti: uno degli avvolgimenti è normalmente di 4 o 8Ω mentre l'altro è a impedenza più alta. La parte più estesa dell'oscillatore piezomeccanico va verso il positivo attraverso un contatto, tipicamente una vite, e l'avvolgimento a bassa impedenza del trasformatore. Per avere la corretta relazione di fase potrebbe essere necessario invertire uno degli avvolgimenti. Un trasformatore simile è utilizzato per l'oscillatore elettromeccanico con l'avvolgimento a bassa impedenza connesso all'altoparlante. Anche in questo caso potrebbe essere necessario invertire uno degli avvolgimenti ma prima dovete assicurarvi che il cono dell'altoparlante vada in avanti quando viene applicata tensione: invertire la connessione dell'altoparlante se necessario. Una piccola striscia di rame è incollata sul retro della mebrana del cono dell'altoparlante mentre una vite va a toccare la striscia di rame.

La frequenza di funzionamento va da circa 1KHz a circa 1,5KHz per entrambi gli oscillatori. La frequenza dell'oscillatore elettromeccanico dipende principalmente dal fattore di smorzamento dell'altoparlante: I migliori risultati si sono ottenuti con l'altoparlante posto direttamente contro una superficie liscia o sigillando la parte frontale con un pannello di legno. Il funzionamento sotto i 0,4-0,6V dipende dall'attenta regolazione della vite e dalla precisione meccanica dell'insieme.

 


CARICABATTERIE AL PIOMBO DA 10A

Il caricabatterie è per le batterie al piombo delle auto e consiste di due unità: una scatola metallica con dentro il trasformatore toroidale, lo strumento, le luci, ecc. e una piccola scatola di plastica che contiene il circuito per il controllo della tensione e della temperatura. La connessione tra la scatola principale e il sensore è realizzata con un normale cavo elettrico con tre fili da 1mm e lungo 4m. La sua resistenza è parte del circuito è costituisce la resistenza di limitazione contro le sovracorrenti. Non cambiate il tipo o lunghezza del cavo poichè potrebbe alterare le prestazioni e sicurezza del caricabatterie. La scatola del sensore è posizionata tipicamente vicino alla batteria che deve essere caricata e due fili flessibili, con una sezione di 2mm e lunghi 30cm, uno rosso e l'altro nero, terminati con una pinza di buona qualità, collegano il sensore alla batteria.

Questa soluzione assicura che la batteria sia caricata alla tensione corretta che dipende anche dalla temperatura ambiente. La tensione finale deve essere impostata attraverso il potenziometro multigiri da 200? a 14,8V a 20°C e variata di +/-30mV/°C a qualsiasi altra temperatura. Per esempio, se l'attuale temperatura ambientale è di 10°C allora la tensione deve essere impostata a 15,1V, se la temperatura è invece di 30°C allora la tensione da impostare è di 14,5V e così via. Una volta impostata, la tensione si regolerà con un errore massimo di 1°C. Queste prove vanno naturalmente effettuate con una batteria connessa.

 

Un termistor avrebbe semplificato il circuito ma il suo corretto uso non è facile e si è preferito usare un congruo numero di diodi. Un LED nella scatola del sensore da un'indicazione sulla corretta connessione della batteria. Comunque il circuito tollera molto bene gli errori di connessione: un corto circuito all'uscita non ha nessuna conseguenza poiché non vi è tensione all'uscita fintanto che non si connette la batteria. Infatti è la batteria stessa che fa entrare in funzione il circuito e una volta sconnessa la batteria, anche la tensione d'uscita sparisce. Il circuito entra in funzione solo se la tensione della batteria è superiore a 7-8V. Non vi è neppure alcun danno se si collega qualsiasi batteria con le polarità invertite poiché il circuito semplicemente non entrerà in funzione. Può sopportare una connessione di breve durata di una batteria a 24V, oltre questa tensione il circuito d'ingresso risulta sovraccaricato e potrebbe venir danneggiato.

Il controllo della corrente è ottenuto facendo entrare in conduzione gli SCR al momento opportuno utilizzando la corrente del collettore del BF761. Il LED blu, ma qualsiasi altro colore va bene, fornisce un'indicazione che l'unità sta caricando la batteria. il LED comincerà a lampeggiare velocemente alla fine del ciclo di carica così a colpo d'occhio si può sapere che la carica sta per finire. La batteria può essere lasciata collegata anche per molto tempo dopo la carica. La corrente si abbassa ad un valore minimo che mantiene la tensione al valore ottimale. I disturbi generati dalla commutazione degli SCR sono eliminati dall'impedenza di blocco da 85?H realizzata avvolgendo 27 spire di filo smaltato da 1mm su un anello di ferrite di 27x11mm. A causa del modo in cui operano gli SCR, la linea comune è positiva e non negativa come ci si potrebbe aspettare quindi fate attenzione a collegare i dispositivi con la polarità giusta secondo lo schema.

Un trasformatore toroidale ha molti vantaggi: è piccolo, molto efficiente, tollera bene dei sovraccarichi moderati e consuma poca potenza in stand-by, solo 3,5VA quando acceso ma senza batteria collegata. Il costo, a questo livello di potenza, è stranamente vicino ad un trasformatore tradizionale, comunque la corrente di spunto quando si accende può essere così alta, in funzione di dove si trova in quel momento la sinusoide della rete, che il collasso del conseguente forte campo magnetico genera dei potenti picchi di tensione fino a 500V sul secondario che distruggono qualsiasi cosa trovano sulla loro strada. Alcuni condensatori, l'uso di diodi veloci UF4006 e del transistor ad alta tensione BF761 hanno risolto il problema. L'interruttore principale dovrebbe avere una portata di 10A.

Gli SCR possono diventare abbastanza caldi; la soluzione migliore è quella di montarli sulla scatola metallica usando degli kit isolanti. La scatola si riscalderà specialmente all'inizio del ciclo di carica quando l'unità è temporaneamente sovraccaricata e per sicurezza è stato aggiunto un interruttore termico che toglie l'alimentazione in caso di condizioni estreme di temperatura e sovraccarico. Questo interruttore è montato 6-8cm lontano dagli SCR in modo che possano tener conto anche della temperatura proveniente da altre fonti come il trasformatore e l'impedenza di blocco.

Il caricabatteria è stato provato per oltre un anno con batterie da 44 a 100Ah, da 0 a 38°C; il valore superiore della temperatura faceva scattare l'interruttore termico. Dovrei risistemare l'interruttore in un posto meno caldo se voglio che funzioni fino a 40°C, che era l'obiettivo di partenza. Potreste avere dei limiti di temperatura diversi poiché dipendono dalla disposizione fisica dei componenti nella scatola. Fate attenzione al fatto che questo caricabatterie si comporta come un caricabatterie rapido per le batterie più piccole e quindi occorre prendere maggiori precauzioni per quanto riguarda la produzione di gas ed è comunque buona norma disconnettere la batteria dalla macchina prima di caricarla.

 

  


AVVISATORE ACUSTICO SEMPLICE

Questo oscillatore audio di potenza può essere usato come un avvisatore per sistemi di allarme o per attirare l'attenzione se c'è qualcosa che non va in un apparato. L'oscillatore, circa 750Hz, sfrutta le caratteristiche di certi transistor NPN, in questo caso un BC337, di oscillare se polarizzati inversamente e con la base aperta. Altri transistor equivalenti potrebbero non funzionare. Nonostante la sua semplicità, il circuito è abbastanza flessibile: la resistenza da 390Ω, normalmente connessa al negativo può essere commutata attraverso un circuito logico e quindi l'oscillatore può essere pilotato direttamente dal circuito che si desidera controllare; la base non è normalmente usata ma si può avere una modulazione in frequenza connettendo un segnale modulante alla base attraverso una resistenza di alto valore, tipicamente da 2,2MΩ.

Un altoparlante da 3W è sufficiente per il circuito e può essere da 8 o 4Ω, in quest'ultimo caso è conveniente mettere un piccolo dissipatore sul BD436. La corrente di picco per un altoparlante da 8Ω può arrivare a 1,2A ma poiché il periodo di lavoro è relativamente piccolo, la corrente media misurata è stata di 0,2A, di conseguenza la potenza richiesta totale è di soli 2.4W a dispetto dell'alto volume che viene generato. La linea di alimentazione deve essere ben filtrata è può essere qualsiasi valore tra 9 e 15V. Poiché la frequenza del suono dipende anche dalla tensione di alimentazione, potrebbe essere necessario variare la resistenza per avere un valore ben determinato di frequenza.

 


 

AVVISATORE LIMITE DI POTENZA DOMESTICA

 

Da quando è stato installato un nuovo contatore elettronico per l'elettricità della casa, ci sono parecchie disconnessioni dalla rete quando si va oltre il limite stabilito di potenza di 3,3KWh.

Il nuovo contatore non perdona ed anche se vi è una certa tolleranza già incorporata non si sa mai quando si è superato il limite di potenza dato il numero di apparecchi che sono costantemente accesi e spenti in una casa.

Il circuito è stato fatto per dare un segnale acustico quando il limite di potenza viene superato. Il trasformatore è stato ricuperato da un vecchio saldatore a pistola. E' relativamente facile rimuovere le poche spire dell'avvolgimento secondario e riavvolgere due spire di filo grosso, grosso almeno quanto il filo che esce dal contatore. Una spira dovrebbe essere sufficiente se avete un limite di potenza di 6,6KWh ma prove a questo livello di potenza non sono state eseguite. Come alternativa si può provare un piccolo trasformatore toroidale d'alimentazione: è facile aggiungere alcune spire di filo anche relativamente grosso. Ignorate altri avvolgimenti, se presenti, eccetto l'avvolgimento primario, che nel nostro circuito diventa quello secondario. Il circuito deve essere istallato tra il contatore, con il suo interruttore generale, e la rete domestica. Con i valori dei componenti menzionati nello schema, il circuito oscilla con un secondo acceso e un secondo spento, secondo il carico. Regolare il potenziometro in modo che non ci sia suono sotto il limite di potenza. Il varistor si rende necessario nel caso ci sia un corto circuito nella rete domestica: l'extra tensione che si genera al secondario potrebbe danneggiare il circuito. Il cicalino piezoelettrico può anche essere istallato distante dal circuito stesso, in qualsiasi posto della casa dove può essere facilmente udito.

E' inutile dire che dovete sapere quello che fate quando lavorate con la rete elettrica di casa dal momento che può essere pericoloso. Ricordarsi sempre di disinserire la rete mediante l'interruttore generale prima di procedere con qualsiasi lavoro sulla rete domestica. Non istallate questo circuito se avete dubbi sul suo funzionamento, connessioni e relative misure di sicurezza.


 

LUCE TEMPORIZZATA

Occasionalmente potreste aver bisogno di tenere accesa una luce per un certo tempo, di solito qualche minuto, ed essere sicuri che si spenga anche se vi dimenticate di spegnere la luce. Questo potrebbe tornar comodo come la luce del ripostiglio o della cantina. Il circuito accende la luce semplicemente premendo il pulsante. Dopo un tempo di 3-7 minuti, il circuito spegnerà automaticamente la luce. Il lungo ritardo è ottenuto utilizzando, in parte, la corente di perdita tra l'anodo e il gate dell'scr. Questa corrente dipende da quasi tutto: tensione, temperatura, potenza della lampada, tipo di scr, ecc., questa è la ragione per cui la temporizzazione non è costante ma per lo scopo per cui è designato non è importante. Se il ritardo è troppo breve, si può incrementare il valore del condensatore da 220nF fino a 470nF. Valori troppo alti portano la lampada ad essere sempre accesa. Il circuito funziona solo con lampade ad incandescenza. Il funzionamento con le lampade elettroniche è erratico e il ritardo è solo di 1 o 2 minuti. L'scr usato deve essere del tipo a gate sensibile, comunque non sono stati provati altri dispositivi oltre al TIC106N.

Il circuito occupa poco spazio e può essere alloggiato nella stessa custodia dell'interruttore. Naturalmente occorre sostituire l'interruttore normale con uno a pulsante.

E' inutile dire che dovete sapere quello che fate quando lavorate con la rete elettrica di casa dal momento che può essere pericoloso. Ricordarsi sempre di disinserire la rete mediante l'interruttore generale prima di procedere con qualsiasi lavoro sulla rete domestica. Non istallate questo circuito se avete dubbi sul suo funzionamento, connessioni e relative misure di sicurezza.




OSCILLATORI AUDIO CON SCR

scr audio oscillatorI circuiti si basano su uno simile proposto in una pagina precedente ma ottimizzati per avere un volume più alto e funzionamento a 5V anche se oscillano già a 2V (1,5V per il circuito con il trasformatore). Per il funzionamento si parte tenendo il trimmer al massimo della resistenza, si collega l'alimentazione e poi si regola lentamente il trimmer fino ad innescare l'oscillazione. Variando ulteriormente il trimmer si può regolare, entro certi limiti, anche la frequenza di oscillazione. L'altoparlante non deve avere una resistenza in continua superiore a 5,5 ohm altrimenti il fattore di smorzamento eccessivo impedirebbe all'scr di spegnersi e rimarrebbe sempre in stato di conduzione, questo significa, per esempio che non si possono usare altoparlanti troppo piccoli, inferiori a 5 cm di diametro. Per lo stesso motivo è opportuno usare un condensatore non elettrolitico. Se, durante la fase di settaggio l'scr dovessere rimanere in conduzione, è sufficiente rimuovere l'alimentazione o cortocircuitare temporaneamente il catodo con l'anodo.  Per avere il funzionamento a 12V occorre portare la resistenza da 82 ohm a 120 ohm e sostituire il trimmer con uno da 2,2 kohm con in serie una resistenza da 1Kohm. Il circuito di destra usa un trasformatore d'uscita, attualmente di non facile reperibilità ma diffuso su vecchie radio a transitor o amplificatori di qualche anno addietro. Il funzionamento e il settaggio è uguale ma potrebbe essere necessario invertire i fili del secondario per avere maggiore stabilità che corrisponde ad una frequenza di oscillazione più bassa. In quest'ultimo circuito dovrebbe funzionare bene anche un elettrolitico con basso ESR. Se si aumenta la tensione oltre i 5V, fare attenzione alla massima corrente che attraversa i vari componenti nel caso l'scr dovesse rimanere nello stato di conduzione. Altri tipi di scr dovrebbero funzionare ugualmente anche se il valore del trimmer potrebbe essere diverso.





LUCE NOTTURNA

circuit 1Qui sono proposte alcune configurazioni di circuiti per luce notturna, altri circuiti similari sono facilmente reperibili su internet.  In questi esempi si è utilizzata la custodia in plastica di  vecchie luci notturne: la lampadina al neon e relativa resistenza sono state tolte per far posto  ai circuiti proposti sulla sinistra. Il primo utilizza 4 led di qualsiasi colore, anche se quelli bianchi sembrano essere la miglior opzione. Il consumo è di circa 270mW e l'unica accortezza è quella di prestare attenzione al collegamento dei led: se si sbaglia a collegare anche uno solo di loro si ha la rottura instantanea di tutti i led.

L'unico componente critico è il condensatore in serie alla rete, quello da 220nF, che deve essere dimensionato adeguatamente per quanto riguarda la tensione di lavoro, almeno circuit 2400V.La resistenza in parallelo al condensatore stesso serve a scaricarlo in tempi relativemente brevi in modo da evitare una scossa elettrica se si toccano i terminali subito dopo aver rimosso la luce notturna dalla relativa presa. Questa resistenza non è necessaria se il circuito è collegato in maniera permanente alla rete di alimentazione e non c'è possibilità di toccare i terminali. Il condensatore da 47nF, insieme alla resistenza da 560 ohm serve invece a proteggere i led da eventuali picchi di tensione dovuti a fulmini, attivazione di forti carichi induttivi sulla stessa linea o semplicemente dovuti all'inserimento della luce notturna nella relativa presa.

Le resistenze sono tutte da 1/4 circuit 3oppure 1/2 W e la tensione di lavoro del condensatore da 47nF è di 50-100V. Lo svantaggio di questo circuito è forse l'eccessiva luce che emana; nella notte i nostri occhi sono abituati all'oscurità e questo circuito potrebbe risultare troppo potente ed è quindi più adatto ad illuminare degli spazi ampi e non una singola camera. In tutti questi circuiti sono stati usati led del tipo trasparente da 5mm.

Il secondo circuito proposto è una versione meno potente che utilizza due soli led e dal consumo veramente risicato, solo 11mW. Questa versione è quella che più si avvicina al concetto di luce notturna: basso consumo, luce sufficiente ma non accecante e costo limitato per costruirlo.



Il terzo circuito è una combinazione dei primi due e utilizza una custodia dotata di interruttore; infatti circuit 4alcune luci notturne in commercio prevedono un interruttore per  spegnere o accendere la luce stessa e qui lo si è utilizzato per avere un'unità con due livelli di luce: una debole e una potente. Il consumo è di 15mW con interruttore aperto e 310mW con interruttore chiuso. Le luci notturne in commercio hanno una potenza che va da 0,6 a 1W mentre quelle di vecchio tipo con la piccola lampadina al neon vanno da 0,21 a 0,33W.
In quest'ultimo circuito si sono utilizzato dei led colorati: l'effetto è piacevole perchè l'ambiente è
illuminato da una luce quasi bianca mentre la sorgente è colorata.

Nell quarto circuito è stato aggiunto un piccolissimo accumulatore NiMH da 80mAh. Sono state fatte diverse prove per trovare l'adattamento migliore tra la corrente di carica, il colore del led, il numero degli elementi dell'accumulatore, due nel nostro caso, e la durata della luce emessa in assenza di rete. Normalmente, con interruttore chiuso, si ha la carica dell'accumulatore con il led verde che evita il sovraccarico. In assenza di rete rimane il solo led verde ad illuminare l'ambiente. L'interruttore torna utile se non si usa la luce notturna e evitare così la scarica dell'accumulatore. Se si preferisce, si può scambiare il led verde con quello blu oppure si possono utilizzare tutti led bianchi con il vantaggio di avere una autonomia di luce maggiore. Un'ottima combinazione di colori è quella di utilizzare un led giallo al posto di quello rosso e un led bianco al posto di quello verde. In questo circuito sono utilizzati solo tre led per evitare una tensione inversa troppo alta al led rosso. Il consumo si attesta sui 140mW. Da notare che la tensione diretta del led verde è quella che stabilisce la tensione della batteria. Questo significa che differenti tipi di led verde potrebbero dare una tensione leggermente differente. Quello usato in questo circuito stabilisce la tensione di batteria a 2,78V. Questa tensione diventa di 2,8V se si utilizza un led blu e diventa 2,82V con led bianchi. Per quanto riguarda la durata in assenza di rete, si è trovato che con il led bianco connesso alla batteria si arriva a tre giorni, due giorni con il led verde e un giorno con il led blu. In effetti, se ci si accontenta di una luminosità minima, ma sufficiente in un'oscurità totale, i tempi si allungano anche di due o tre volte. Ricordatevi che le batterie NiMh hanno bisogno di 3-4 cicli di carica e scarica prima di raggiungere la massima efficienza.
Lultimo circuito proposto è un classico schema con ponte di diodi (800V, 1A) e accumulatore con maggiore capacità. Alla fine questo è il circuito che ho adottato per i miei scopi dal momento che mi piace particolarmente la combinazione di colori e la luce blu in assenza di rete.

E' inutile dire che dovete sapere quello che fate quando lavorate con la rete elettrica di casa dal momento che può essere pericoloso. Non costruite questo circuito se avete dubbi sul suo funzionamento, connessioni e relative misure di sicurezza.






LUCE LED DA CELLE SOLARI

led light from solar cellLa cella solare carica sempre l'accumulatore e se la tensione supera un certo limite, circa 3,8V, si ha l'accensione dei led bianchi. Gli stessi led, in numero di 4, servono anche a proteggere l'accumulatore dall'eventuale eccesso di corrente. Quando la tensione della batteria scende sotto 2,8V, si ha lo spegnimento dei led che non si riaccendono finchè la tensione di batteria non sia di nuovo a 3,8V. La tensione di accensione e spegnimento diventano 3,9 e 2,9V con temperature particolarmente rigide. Il circuito è stato ideato per la massima efficienza con un consumo, a led spenti, di meno di 1µA.
Al posto dell'accumulatore al litio si possono provare le batterie NiMh; tre elementi in serie forniscono la tensione giusta e offrono una maggiore flessibilità: se, per esempio, il circuito impiega un solo led bianco, allora è suficiente una batteria NiMh più piccola da 600-700 mAh. Anche la cellula solare deve esssere più piccola  e in grado di fornire al massimo 25mA. Lo svantaggio nell'usare le batterie NiMh è che non funzionano bene a temperature sotto lo zero.




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