PROVA PLURIDISCIPLINARE D'ESAME DI QUALIFICA

Anno scolastico 2005-2006

CLASSE 3^ OPERATORE ELETTRONICO

Materie coinvolte: Elettronica, Controlli, Laboratorio - Misure, Matematica e Fisica

CONTENUTI DELLA PROVA :

Si vuole realizzare un timer per tempi brevi con avvisatore acustico allo scadere del tempo; quest'ultimo è impostato con un potenziometro. Il timer inizia il conteggio del tempo attraverso l'azionamento di un pulsante di START e si ferma con il pulsante di RESET.

Dato lo schema risolutivo del problema il candidato svolga i seguenti punti:

-1) realizzare correttamente il circuito su basetta sperimentale bread-board;  [ punti 10 ]

-2) mediante gli idonei strumenti da laboratorio :

1. misurare il periodo dei segnale acustico e ricavare la relativa frequenza; [ punti 10 ]
2. rilevare e disegnare su assi cartesiani l'andamento dei segnali ritenuti importanti ai fini della verifica del funzionamento del circuito; [ punti 10 ]

-3) dimensionare un valore di R affinché la frequenza del suono diventi 740 Hz [ punti 10 ]

-4) rilevare (contando i secondi con l'orologio) il tempo minimo e massimo del timer regolando l'apposito potenziometro e indicare il legame tra il tempo e i valori dei componenti T1+R3 e C1; [ punti 10 ]

-5) completare lo schema con l'aggiunta di un relè che si azioni per tutto il tempo
della temporizzazione del timer; [ punti 10 ]

-6) svolgere una relazione in cui emerga la conoscenza delle porte logiche NAND,
il dimensionamento dei componenti, il funzionamento del circuito e l'analisi dei risultati
ed eventuali considerazioni personali. [ punti 20 ]

-7) scrivere il legame tra F (frequenza) e l (lunghezza d'onda) con breve commento; [ punti 10 ]

-8) disegnare lo schema di un alimentatore adeguato per alimentare il circuito dato
indicando il valore pratico dei componenti da utilizzare. [ punti 10 ]

LA PROVA PREVEDE LA DURATA COMPLESSIVA DI 5 ORE

CANDIDATO: ________________________________________

ESEMPIO DI SOLUZIONE

PUNTO 2

Mediante oscilloscopio misuro il periodo del segnale generato dall'operazionale TL081 configurato come oscillatore ad onda quadra.

Con asse dei tempi su 100 uS al cm misuro 7,5 cm per un periodo pertanto

T = 7,5 x 100 = 750 uS

Sapendo che la frequenza è l'inverso del periodo avremo

F= 1/T = 1/0,750 x 10^-3 = 1330 Hz

I segnali inerenti l'onda quadra d'uscita sul pin 6 dell'OP e inerenti la carica e scarica della capacità da 6,8 nF sono i seguenti:

L'oscillatore ad onda quadra con operazionale basa il suo funzionamento su due soglie di tensione Vh e Vl (sul grafico marker "c" e "d") entro le quali avviene la carica e scsarica del condensatore C da 6,8 nF attraverso la resistenza R (vedi schema).

Il tempo del semi periodo T/2 (secondi) è dato sempre dal prodotto di C (farad) per R (Ohm) per una costante K che dipende dalle soglie di tensione Vh e Vl.

Osservando lo schema, noto che VH e VL sono riferite all'ingresso non invertente (tensione fra massa e pin 3) e determinate da un partitore con due resistenze uguali da 120K influenzato da una terza resistenza da 68K collegata fra l'uscita (pin6) ed il centro del partitore.

Avendo misurato T pari a 0,75 mS sarà pertanto T/2 = 0,375 mS

Ne consegue che K= (T/2) /R x C = 0,375 x10^-3 / 56 x10³ x 6,8 x10^-9 = 0,987

Si può affermare che con le soglie Vh e Vl imposte con il partitore R6, R9 variato da R6 il K vale praticamente 1.

PUNTO 3

Per quanto affermato poc'anzi nel caso si volesse una nuova frequenza di

740 Hz il valore di R si può ricavare dalla formula T= 2 R C cioè

R= T/2 C essendo T= 1/F = 1/740 = 1,35 mS pertanto

R= 1,35 x10^-3 /2 x 6,8 x10^-9 = 99,3 Kohm valore commerciale = 100K

Sostituendo la 56 K con quella da 100K ho ottenuto:

Come si può osservare i valori misurati sono pressoché identici a quelli voluti.

PUNTO 4

Dal momento dello start (accensione del LED) sino all'inizio del suono in altoparlante ho misurato un tempo minimo di circa 3 secondi e con la massima resistenza del potenziometro 470K un tempo massimo di circa 32 secondi.

Essendo il tempo (come precedentemente affermato) dipendente da R x C x K,

in questa configurazione con porta NAND di tipo C-MOS, ne consegue che

Tmin=3 = K x R x C = K x 56 x 10³ x 100 x 10^-6 pertanto

K = 3 / 56 x 10³ x 100 x 10^-6 = 0,63

Se mi dovesse servire un tempo massimo ad esempio doppio basterebbe raddoppiare il valore del potenziometro (valore commerciale 1 Mohm).

PUNTO 5

La modifica del circuito per avere un relè che si attiva durante la temporizzazione devo utilizzare uno stato del FLIP-FLOP (memoria SET/RESET)

ottenuto con le porte NAND del CD4011 e opportunamente adattato pilotare il relè. Basterebbe utilizzare lo stesso stato alto che accende il LED e polarizzare la base di un transistore che a sua volta comanda il relè.

Per non caricare troppo l'uscita del NAND A, visto che dispongo ancora di un NAND libero, e meglio utilizzare quest'ultimo come porta invertente dello stato basso proveniente dal NAND B e poi andare al transistore come indicato nello schema seguente.

PUNTO 6

Il nostro circuito temporizzatore (clessidra elettronica) si basa sul funzionamento di tre parti fondamentali.

Una riguarda il comando START e STOP una il generatore di nota audio per l'avviso di tempo scaduto e la terza riguarda il controllo del tempo mediante la carica di un condensatore.

La parte Start e Stop consiste nell'utilizzo di due porte NAND collegate nel classico modo di memoria o flip-flop set e reset.

Considerato che in una porta NAND a due ingressi basta un ingresso a livello zero per avere l'uscita a livello alto mentre deve avere entrambi gli ingressi alti per avere l'uscita bassa si comprende che basta il pin 3 basso che collegato al pin 6 mantiene alto il pin 4 e 2 che assieme al livello alto del pin 1 confermano basso il pin 3 condizionando il Flip - flop nello stato di reset.

In queste condizioni essendo il pin 3 a livello basso attraverso la conduzione di D1 anche C1 è mantenuto scarico cioè livello basso sul pin 8 che mantiene alto il pin 10 e la base del Q1 che essendo PNP non potrà condurre.

Con il pulsante START porto se premuto un livello basso sul pin 1 che basta per portare l'uscita pin 3 e 6 a livello alto che assieme al pin 5 tenuto alto da R4 porta il pin 4 basso che basterà da solo a mantenere la nuova condizione anche se il pulsante START viene rilasciato.

In questa condizione con pin 3 alto il diodo LED si accende per indicare che il ciclo di temporizzazione è attiva mentre il D1 non può condurre perché il suo catodo è più positivo dell'anodo, ora C1 inizia la sua carica attraverso T1 e R3 e quando il suo livello di carica raggiunge la soglia corrispondente ad 1 per il pin 8 la porta NAND C è libera di lasciar transitare il segnale ad onda quadra proveniente dal pin 6 del TL081 configurato come oscillatore ad onda quadra.

Q1 entrerà in conduzione alimentando l'altoparlante ad ogni semiperiodo di livello basso dell'onda quadra presente sul pin 10 di U1C.

Si sentirà il suono alla frequenza di 1330 Hz misurata al punto 2 indicante la fine della temporizzazione.

Con la pressione del pulsante STOP porto un livello basso sul pin 5 di U1B che basta per avere un livello alto sul pin 4 e 2 che assieme al livello alto del pin 1 mandano basso il pin 3 di U1A e pin 6 di U1B che manterrà questo stato del Flip-Flop anche se il pulsante STOP verrà rilasciato.

C1 attraverso D1 verrà scaricato e di nuovo il pin 8 di U1C bloccherà la porta NAND interdicendo Q1 così da zittire pure l'altoparlante.

Se fosse attiva anche la parte inerente la modifica con relè si avrebbe avuto che nella condizione di START con pin 4 di U1B assieme ai pin 12 e 13 di U1D bassi l'uscita pin 11 di U1D sarebbe rimasta a livello alto così da polarizzare il BC547 che avrebbe eccitato il relè.

Mediante il contatto del relè si può comandare anche carichi di potenza come lampade o anche motori in alternata.

Approfondendo quanto già trattato al punto 2 b) si potrebbe dimostrare come calcolare le soglie Vh e Vl.

Ipotizzando teoricamente che l'uscita pin 6 dell'operazionale vada a +Vcc nel semiperiodo alto e a massa (0V) nel semiperiodo basso ne consegue che con uscita alta il circuito equivalente del partitore diventa:

Req. = 68 x 120/188 = 43,4 K

Vh = R x I = 120 x Vcc/(120 + 43,4) = 120 x 10/163,4 = 7,3V

Allo stesso modo VL si avrà quando l'uscita è bassa con un circuito equivalente del partitore seguente:

VL = R x I = 43,4 x 10/163,4 = 2,6 V

In realtà sapendo che un operazionale come il TL081 non satura mai ne a Vcc ne a massa ma come si osserva dal grafico l'uscita ad onda quadra compresa tra circa 1,5V (livello basso) e 8,46V (livello alto) ne consegue che la 68 K nei circuiti equivalenti andrebbe collegata una volta a 8,4V e un'altra a 1,5V.

Si otterrebbero cioè soglie come indicate nel grafico Vc=Vh e Vd=Vl.

FUNZIONAMENTO DELL'OSCILLATORE

Nell'istante in cui alimento il circuito ho la capacità C completamente scarico, cioè con l'ingresso invertente pin6 a 0 V (1,5V) ma essendo il pin5 non invertente, sicuramente ad un potenziale più alto di 0 (=Vh) avremo in delta V fra i due ingressi con le stesse polarità degli ingressi stessi: questo equivale a mandare alto a Vcc (=8,4V) l'uscita pin 6.

Come anticipato prima siamo nella condizione di Vh, in quanto l'uscita attraverso la resistenza da 68 K modifica la tensione del partitore come notiamo dai calcoli precedentemente effettuati.

Il circuito permane in queste condizioni d'uscita alta con Vh sul pin3, per tutto il tempo che dipende sicuramente dai valori della resistenza e del condensatore.

Quando il condensatore C attraverso la resistenza collegata ad un livello alto proveniente dall'uscita, avrà raggiunto una carica tale da raggiungere e superare quanto basta Vh, così da determinare un delta V fra i due ingressi di polarità rovesciate rispetto agli ingressi stessi, l'uscita pin 6 andrà a livello basso.

Ora il condensatore attraverso la resistenza collegata all'uscita bassa non può che iniziare a scaricarsi.

In queste condizioni il piedino non invertente è sottoposto alla tensione Vl che nasce dal partitore delle 120K e dalla R da 68 K portata a massa dall'uscita bassa.

Dopo un tempo t2 dipendente sempre dalla resistenza e dal condensatore, il condensatore scaricandosi andrà al di sotto di Vl tanto quanto basta per avere un delta V sugli ingressi con le polarità identiche(+ sul non invertente e - sull'invertente).

Ritorneremo pertanto nuovamente ad un'uscita alta, Vh sul pin6 e il condensatore ricomincerà a ricaricarsi.

PUNTO 7

La lunghezza d'onda di un segnale elettrico o sonoro è lo spazio percorso dal segnale nel tempo equivalente ad un periodo pertanto s = v T

Indicando s con il simbolo della lunghezza d'onda l = v T ma T= 1/F pertanto

l = v/F. Se ci riferiamo ad un segnale che si propaga nel vuoto v sarà quella della luce mentre se ci riferiamo ad onde sonore v sarà circa 340 m/s.

Se dovessimo calcolare l di un segnale radio di 300 Mhz dovremmo scrivere

l = 300000 Km/s diviso 300 Mhz = 1 m circa.

PUNTO 8

Considerato il basso consumo del circuito un regolatore di tensione capace di fornire correnti fino ad 1A soddisfa abbondantemente i requisiti.

Si può utilizzare anche la versione LM78L10 che comunque garantisce un adeguato funzionamento anche se la sua corrente massima è di 100 mA.

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