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REGOLATORE DI VELOCITÀ PWM PER SLOT CARS |
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molti bambini degli anni '60 e '70 è capitato di trovare sotto l'albero
di Natale una bella pista Polistil, con le macchinine elettriche in scala
1/32, il trasformatore e i pulsanti per la regolazione della velocità. La
pista più economica era un semplice ovale, ma acquistando altri pezzi di
rettilineo e di curve si poteva ingrandirla, trasformandola in
una specie di "otto" con cavalcavia e curva parabolica. (le foto
sono prese dal sito
http://www.policar.info/)
Sotto il profilo tecnico, la pista è composta da alcuni pezzi assemblabili di plastica nera (rettilinei o curve), su cui sono incorporati i binari metallici che portano il polo positivo e il polo negativo dell'alimentazione. Nella parte anteriore di ogni macchina si trovano due spazzole che strisciando sui binari metallici trasferiscono la tensione al motore. Una guida plastica pivottante sul fondo della macchina è inserita in una fessura tra i binari, garantendo la tenuta in pista del veicolo (se la velocità non è troppo elevata!). La presenza di questa fessura (in inglese slot) è il motivo per cui questi modelli oggi sono chiamati slot cars.
La tensione di alimentazione (12V CC) è fornita da un trasformatore e da un raddrizzatore al silicio. Il regolatore di velocità consiste in un reostato a filo del valore di alcune decine di Ohm, su cui scorre un cursore metallico che inserisce gradualmente la resistenza.
Non so come fossero i collegamenti nelle vecchie Polistil, ma lo standard attuale corrisponde allo schema seguente (vedi http://www.ansislot.it):
La passione per queste piste è sopravvissuta alla scomparsa delle case produttrici e al passare degli anni. Basta fare una ricerca su internet per accorgersi del gran numero di appassionati, associazioni e club che si occupano di questo hobby! Diciamo innanzitutto che PWM sta per Pulse Width Modulation, cioè Modulazione a Larghezza di Impulsi e consiste, nel nostro caso, nel controllare la velocità di un motore mediante un segnale ad onda quadra di cui viene variato il duty-cycle, cioè il rapporto tra il livello alto e il livello basso del segnale:
Se utilizziamo il segnale PWM per pilotare un transistor di potenza, vediamo che quando gli impulsi sono stretti, il transistor conduce per brevi periodi e di conseguenza la tensione in uscita è bassa. Quando al contrario gli impulsi sono larghi, il transistor conduce per tempi più lunghi e quindi la tensione in uscita è maggiore. I vantaggi rispetto ai regolatori a reostato o a resistenza elettronica (= transistor) sono evidenti:
Ci sono diversi modi per generare un segnale PWM. Il più semplice consiste nel controllare il tempo di carica e scarica di un condensatore mediante una resistenza variabile, secondo lo schema riportato:
Una volta ottenuto un segnale a onda quadra con duty-cycle variabile, lo si può utilizzare per pilotare un transistor di potenza o, meglio, un MOSFET:
Per generare la PWM ho usato un CD40106 + potenziometro da 22k + condensatore da 4700pF (la frequenza è ca. 18kHz). La PWM pilota un P-MOSFET tipo IRF9520. I diodi al silicio sono 1N4148 e 1N4007. La foto mostra il circuito montato su una basetta di cm 6,5 x 4,5. Date le ridotte dimensioni si potrebbe forse inserire il circuito all'interno del pulsante originale.
Nel prototipo la velocità è regolata da un potenziometro. Al circuito regolatore sono stati aggiunti due pulsanti: uno per frenare la macchina e l'altro per fornire istantaneamente tutta la potenza ("full speed"). A questo proposito va precisato che nei pulsanti tradizionali a reostato la frenata è ottenuta cortocircuitando il motore (NON l'alimentazione!). Questo provoca una frenata brusca con le ruote che "inchiodano", a meno di lasciare un piccola resistenza residua tra il cursore e il negativo. Nel pulsante elettronico non è possibile cortocircuitare il carico del MOSFET (= motore) e la frenata è ottenuta spegnendo la PWM.
Per i collegamenti e il colore dei cavi ho fatto riferimento allo standard stabilito dalla Associazione Nazionale Slot Italiana (http://www.ansislot.it):
NOTA: gli hobbisti elettronici si saranno accorti che questo codice di colori NON coincide con quello usato internazionalmente per le apparecchiature elettroniche (Rosso = Positivo, NERO = Negativo). Teoricamente il regolatore PWM può essere collegato direttamente al posto del tradizionale pulsante a reostato, rispettando il codice dei colori. Dico "teoricamente" perché non possiedo una pista di slot cars e non ho potuto fare la prova pratica. Il regolatore ha fornito buoni risultati nelle prove su banco. Sull'uscita sono stati collegati diversi motorini a spazzole e motoriduttori, ma nessuna di queste prove vale un collaudo "dal vivo" su pista, specialmente per la regolazione del minimo. Resto
a disposizione per chiarimenti, critiche e suggerimenti
EMAIL RICEVUTE Carlo, appassionato di slot cars, ha scritto una email dicendo che "con un potenziometro non si può guidare una slotcar". Questo lo davo per scontato e il potenziometro è stato collegato solo per i collaudi del circuito che, lo ripeto, non è mai stato provato su pista. Carlo aggiunge anche alcuni preziosi suggerimenti: 1) il potenziometro è da sostituire con
una batteria di resistenze che raggiungano complessivamente il valore di
22k In una seconda email Carlo aggiunge uno schema e alcune note tecniche sul pulsante di controllo:
Non so se sono stato chiaro: il devio switch è come quelli montati per i fine-corsa degli automatismi e viene azionato quando il grilletto del pulsante arriva a fine corsa minimo, allo stesso modo la potenza massima con un pulsante quando il grilletto arriva al massimo. Disconnettendo un capo del circuito del fet attraverso il devio penso che il corto della pista non dovrebbe creare danni. Fammi sapere se ti sembra una cosa fattibile. Alla prossima. Saluti CARLO
Ringrazio Carlo per la collaborazione.
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