Marsy Electronic

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Gioco con i Telecomandi

Un modo per "insegnare" a mia figlia a tenere i telecomandi di casa in un unico punto

PREMESSA  

A quanti di voi è successo di cercare il telecomando che i vostri figli non hanno riposto nel posto assegnatogli?

Per me è la regola giornaliera, ogni volta che rientro in casa la più piccola usa il telecomando e lo lascia nei posti più impensati, ogni giorno una caccia al tesoro.

Da qui l'idea di creare un gadget

• con le luci lampeggianti,

• che non emetta suoni altrimenti mia moglie ed io saremmo tentati di lanciarlo dalla finestra,

• che faccia uso di telecomandi e la invogli ad usarli per giocarci,

in questo modo il telecomando diventa uno strumento di gioco, da tenere con cura ,alle stessa stregua di qualunque altro giocattolo, non uno strumento per accendere la televisione ed una volta usato buttarlo da qualche parte ignorandolo come un oggetto inutile. Il concetto di funzionamento è semplice anche se la realizzazione concettualmente non lo è stata, si basa su un ricevitore di telecomandi che riceva le emissioni tra 30KHz e 40KHz della portante di qualsiasi telecomando, il segnale rilevato, indipendente dal tasto premuto deve far accendere una luce, tale luce deve essere variabile nel tempo per evitare che si stufi troppo presto del nuovo gioco ( durare almeno il tempo per imparare a riporre i telecomandi tutti insieme).Per il gioco luci ho usato una variazione della frequenza del lampeggio, che parta veloce poi diminuisca fino a fermarsi nel giro di pochi secondi.

RICEVITORE TELECOMANDI 

La seguente sezione è quella che mi è costata più impegno in fase di progettazione e successiva semplificazione inizialmente ero propenzo per un ricevitore già fatto, non ne ho trovato uno economico per tutte le frequenze di trasmissione, se non esiste in commercio bisogna crearselo, tale configurazione mi è stata suggerita da un vecchio radiotecnico da tempo ormai in pensione che, non sa quasi nulla di elettronica digitale o di operazionali ma, conosce alla perfezione i bjt (grazie Renzo), io mi sono limitato solamente a calcolare le giuste polarizzazioni per la tensione di alimentazione di 9V( in origine era 12V).Esso si basa su un semplice ricevitore ed amplificatore di emissioni luminose, basato sul foto-transistor T1.

Siccome lo stadio è costituito da due transistor comincio la descrizione da T2, ipotizzando di trovarmi al buio e pertanto l'azione di T1 è nulla. In queste condizioni il circuito di T2 diventa un classico amplificatore invertente con un partitore di tensione alla base costituito da R6-R7-R8-R9 per stabilire il punto di lavoro a riposo, scelto con accuratezza per ridurre all'essenziale i consumi. La particolarità dello schema, che a prima vista sembra inutilmente complicato, è data dalla doppia necessità di autoreazionarsi per evitare autooscillazioni e consumare correnti a riposo di qualche centinaio di µA, C6 e C7 messi in questa posizione insolita ne sono la conferma, essi hanno la funzione di disaccoppiare l'alimentazione di T1 e spostare la polarizzazione di T2 in alternata. In condizioni di luce ambiente T1 conduce ed è come se si comportasse da resistenza in parallelo ad R8, spostando verso l'alto il punto di lavoro di T2 , la R7 serve anche per impedire che sulla base arrivi una tensione troppo alta, in regime di funzionamento dinamico o in condizione di eccessiva illuminazione. L'uscita è prelevata da C8 per andare agli stadi successivi, il valore di quest'ultimo è scelto per per essere il più possibile insensibile alla frequenza di rete captata dal foto-transistor.

AMPLIFICATORE NON INVERTENTE

Nella sezione di schema seguente l'operazionale viene utilizzato in configurazione classica e cioè amplificatore non invertente. Valgono per questo e per gli altri le regole fondamentali di tutti gli operazionali, gli ingressi non assorbono e non cedono corrente, in condizione di equilibrio gli ingressi sono al medesimo potenziale.

Vista la alimentazione singola il partitore formato da R11 ed R12 fissa la tensione a metà dell'alimentazione nel punto "A".Per U3A  la presenza di C9 in continua fa in modo che R13 venga ignorata e esso si comporti come un inseguitore portando l'uscita "B" allo stesso potenziale di "A". La resistenza R14 non ha nessuna influenza in quanto per definizione gli ingressi non assorbendo nulla, non può circolare corrente in essa, pertanto il potenziale ai suoi capi è il medesimo.  Ben diversa cosa in alternata alla frequenza della portante di un qualsiasi telecomando, in cui C9 si comporta come una resistenza di circa 50 ohm . Ora la configurazione in queste condizioni e quella di un amplificatore non invertente.

L'amplificazione è data dalla formula

G = 1+(R14/(R13+XC9) = 1+ (100.000/1050) = 1+95 = 96

con questo condensatore è stato raggiunto lo scopo di rendere l'amplificazione pari all'unità per cambiamenti lenti del segnale di ingresso (illuminazione ambientale) e circa 100 per il segnale proveniente da un telecomando.

RADDRIZZATORE DI PRECISIONE

Un raddrizzatore di precisione è un circuito in grado di raddrizzare segnali inferiori alla soglia tipica dei diodi 0,7V di norma cominciano a raddrizzare già a 15 µV .

Il circuito in questione si comporta come un diodo ideale, cioè con soglia di intervento praticamente nulla. Il funzionamento è così descritto: in B entra il segnale, C10 che serve a bloccare la componente continua in modo da raddrizzare la sola componente alternata, R15 serve per forzare l'ingresso a massa in assenza di segnali e per evitare che vengano captati disturbi. Se in ingresso la tensione è minore o uguale a 0V il pin 7 è a zero, D1 è interdetto, ai capi di C11 non vi è nessuna tensione la serie R16 ed R17 ha un capo collegato a massa e l'altro capo al pin 6 che non può ne erogare ne assorbire corrente. Nella serie non circola corrente ed il potenziale di uscita è zero. Non essendo U2A in questo caso controreazionato esso si comporta come un comparatore non invertente con tensione di riferimento 0V, la sua uscita rimarrà fissa a 0V.Quando la tensione in ingresso supera lo zero, la tensione in uscita commuterà al valore massimo, D1 conduce, l'anello viene chiuso, in queste condizioni l'operazionale si comporta da inseguitore in cui ai capi di C11 trovo al tensione di ingresso. Una parola sulla soglia di conduzione, il diodo conduce a 0,7V, siccome l'amplificazione dell'operazionale ad anello aperto è dell'ordine 100.000 basta una tensione di 0,7V/100.000= 7 µV per superare la soglia di conduzione, di fatto la soglia viene praticamente eliminata. Ultimo discorso riguardo R16 ed R17 , esse sono un partitore che adatta la tensione raddrizzata al livello utile per lo stadio successivo ed al contempo scaricano rapidamente C11 in caso di assenza di segnale in ingresso. Il partitore riduce a livelli molto bassi il segnale di rumore di fondo sempre presente.

COMPARATORE CON MEMORIA

La seguente porzione di schema è un comparatore realizzata usando U4A in tale configurazione.

Il partitore formato da R18 ed R19 fissano a circa 0,3V la soglia di intervento del comparatore, fino a che la tensione in C è inferiore a tale valore sul pin 13(invertente) ci sarà una tensione più alta del pin 12 (non invertente) pertanto alla sua uscita (pin 14) ci troveremo la massima tensione negativa (0V), quando la tensione in C supera quella del pin 13 il comparatore commuterà la sua uscita al massimo positivo, in queste condizioni il diodo D2 conduce caricando C12, quando nuovamente la tensione in ingresso si abbassa l'uscita di U4A ritorna a zero ed il diodo non conduce più impedendo a C12 di scaricarsi rapidamente. A scaricare lentamente tale condensatore pensa R20 in maniera che all'uscita D dopo D3 mi trovo una tensione che dal massimo cala lentamente fino a quando D3 conduce, andando a pilotare lo stadio successivo, il VCO. La presenza dei due diodi D2 e D3 serve appunto a creare una memoria che prolunga lo stato di presenza di segnale anche quando il medesimo non c'è più. La soglia a 0,3V è stata scelta perchè con la forte amplificazione in ingresso sicuramente si amplifica anche il rumore di fondo, inoltre si capta lo sfarfallio delle lampade di casa alimentate a tensione di rete che, malgrado gli artifici usati per ridurla è comunque presente. Se nel vostro prototipo notate ancora della instabilità sulla segnalazione luminosa basta aumentare R19 portandola dagli attuali 4,7K a 5,6K o anche 6,8K.

GENERATORE D'ONDA QUADRA VARIABILE (V.C.O.)

Il VCO (Volt Control Oscillator) altro non è che un oscillatore a rilassamento o multi-vibratore astabile in cui la frequenza è stabilita da una tensione di controllo. Per comprenderne il funzionamento bisogna per ora ignorare la presenza del resistore R21, lo prenderò in considerazione più tardi.

Il condensatore C13 si carica e si scarica al valore della tensione di uscita E attraverso la resistenza R24, con una costante di tempo T= R24 * C13. Nel circuito la presenza delle resistenze R23 ed R22 determinano una controreazione positiva che fissa il valore dell'ingresso X dipendente dal valore della tensione di uscita. Questa può assumere due soli valori EL e EH che corrispondono alle tensioni di saturazione, a cui corrispondono due valori di XL ed XH che corrispondono a

XL=(R22/(R22+R23))*EL  

XH=(R22/(R22+R23))*EH .

XL ed XH sono i valori di soglia in cui si ha la commutazione della tensione di uscita allorché i valori di X ed Y si eguagliano. Y corrisponde al valore di carica di C13 caricato da R24. U1A in queste condizioni insieme con il partitore R22 ed R23 si comporta come un comparatore invertente con isteresi rispetto all'ingresso Y, questa isteresi nella tensione di uscita permette di commutare costantemente nei due valori massimo e minimo con una costante di tempo data dalla costante T e dalla tensione in X. Ora variando questa tensione, riesco a variare anche il tempo che intercorre tra una commutazione e l'altra, (periodo) e di conseguenza la frequenza, a questo provvede R21 con D, infatti se usassimo una alimentazione duale non sarebbe necessaria R21, nel nostro caso l'alimentazione è singola pertanto in X è presente un solo riferimento alla tensione negativa, di fatto non è possibile nessuna oscillazione. Ne mio circuito sfrutto appunto questa caratteristica, finché in D è presente la tensione di alimentazione  data dal comparatore sul punto X troviamo la tensione di alimentazione divisa a metà, pertanto l'oscillatore oscilla alla sua velocità massima, mano a mano che la tensione in D scende il comparatore ci mette di più a commutare dallo stato off a quello on fino al punto che quando la tensione non è più presente l'oscillatore si blocca in off. In questo mo modo ho che quando il comparatore si attiva parte l'oscillatore alla massima velocità, quando la tensione del condensatore C12 cala diminuisce la frequenza fino a quando il diodo D3 non conduce più ed a quel punto l'oscillatore si blocca.

STADIO DI USCITA

Di tutti gli stadi questo è il più semplice da descrivere infatti viene usato un transistor in funzione di interruttore.

L'unica peculiarità, che farà storcere il naso a qualcuno è l'assenza di una resistenza di limitazione in serie ai led.Volutamente è stata omessa in quanto in questo specifico caso la tensione di alimentazione fissa e stabile a 9V me lo ha permesso. Il led ha una tensione sicura di funzionamento che va da 2,8V a 3,5V se considero il valore massimo dei led bianchi ottengo 3,5*3 = 10,5V a questa tensione debbo aggiungere la VCEsat di T3 che tipicamente è 0,1V ho come tensione massima da non superare 10,6V io dispongo di una tensione stabile di 9V ben al di sotto del massimo che mi porta a lavorare i led in una area di lavoro tranquilla, esente da pericoli di rottura. Per tale motivo ho eliminato la resistenza di protezione, in quanto inutile.

CONVERTITORE DI TENSIONE STEP-UP

L'uso di un innalzatore di tensione si è reso necessario perché malgrado i datasheet dell'integrato LM324, cuore di questo circuito, affermino che può funzionare con tensioni di 3V, in pratica in tali condizioni il funzionamento risultava critico, inoltre quando la batteria a bottone utilizzata per l'alimentazione si sarebbe minimamente scaricata, il funzionamento sarebbe risultato a rischio. Uno step-up mi permette di sfruttare la pila fino al dimezzamento della tensione nominale senza problemi.Ora non rimane che fare due scelte, quale alimentazione usare e cosa usare per innalzarla. Per l'alimentazione scelgo 9V per riuscire a pilotare 3 led bianchi in serie, in parallelo avrebbero assorbito una corrente maggiore. Per lo step-up la mia scelta è caduta sul MAX1771 un regolatore switching in grado di dare un rendimento del 90% fino ad un carico di 2A, inoltre per funzionare si accontenta di assorbire al massimo 110µA. Che funziona ad una frequenza di 300Khz in modulazione di frequenza anziche in PWM, il che mi permette di usare bobine e condensatori più piccoli per raggiungere il medesimo risultato contenendo i consumi all'essenziale.

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Visto che mi interessa usare la batteria fino al completo esaurimento ho apportato una piccola modifica allo schema tipico di utilizzo, infatti il limite di funzionamento inferiore è 2V io mi sono prefisso di sfruttare la pila fino al massimo raggiungibile, ho alimentando l'integrato con la tensione di uscita posizionando il pin 2 anziché sul positivo della pila sulla tensione di uscita, il tutto comunque funziona, infatti all'accensione la tensione della batteria comunque arriva all'integrato tramite la bobina ed il diodo D1.In questo modo ho a disposizione una tensione più alta per pilotare il gate del mosfet, senza correre il rischio di farlo funzionare con dissipazioni alte. Per il mosfet va bene qualsiasi tipo con bassa resistenza di conduzione che sia del tipo ”Logic-Level Gate Drive" cioè con bassa tensione di pilotaggio, io nel mio ho usato quello che avevo nei cassetti,sarebbe stato auspicabile un tipo a montaggio superficiale per ridurre gli ingombri ma non lo avevo. La regolazione della tensione di uscita, qualora non si vogliano 12V fissati in fabbrica è estremamente semplice, basta non collegare il pin3 FB a massa e collegarlo ad un partitore con la tensione di uscita. I valori ottenibili sono davvero notevoli, lo ho visto in applicazioni tra 3 e 170V. La formula per il calcolo delle resistenze in funzione della tensione di uscita è la seguente

R3=R1*((Vout/Vref)-1)

sapendo che Vref =1,5V il calcolo è assai semplice

R3 = R1*((9/1,5)-1) = R1*(6-1) =R1*5

sapendo che R1 può assumere valori tra 10K e 500KOhm. Non esistono valori standard per entrambe le resistenze, ho risolto il problema usando per R1 il valore 10K e per R3 il valore 100K con in parallelo R2 di valore identico in modo da avere 50Kohm, esattamente 5 volte il valore di R1, una resistenza in più ma nessun trimmer “ingombrante” da tarare. Per la bobina il cui valore tipico consigliato è 22uH ho risolto arrangiandomi con toroide preso da un ballast di una lampada a risparmio energetico.

Ho eliminato il vecchio avvolgimento e lo ho rifatto da nuovo, a tale scopo ho preso 15cm di filo per avvolgimenti lo ho ripiegato a metà ed ho fatto quattro spire di filo bifilare da mettere in parallelo per aumentare la sezione del filo senza aumentarne la rigidezza. Una volta avvolte le spire le ho spaziate lungo tutto il toroide per aumentarne l'efficienza.

SCHEMA COMPLETO

Dopo tanta discussione dello schema diviso in sezioni per meglio spiegarne il funzionamento, quello ai seguito è lo schema completo

 REALIZZAZIONE

A questo punto il dilemma di chi realizza elettronica è sempre lo stesso, quale contenitore usare?

Io procedo in senso inverso, trovato il contenitore studio come posso riuscire a farci entrare tutto il progetto, attuando quelle modifiche o soluzioni che servono a raggiungere lo scopo. Nel caso in questione mi sono trovato per le mani un deodorante per armadi ormai esaurito, che mia moglie mi ha dato per buttarlo nel secchio, sarà stato il colore, la forma, non so, comunque nel secchio non ci è mai finito, è iniziata la sfida fare entrare tutto in quel minuscolo spazio.

reperito tutto il materiale si procede con la realizzazione di uno stampato che si adatti al contenitore

una volta realizzato, questo è il risultato finale, da notare l'assenza di componenti montati in verticale ad eccezione dei condensatori

e la presenza nel lato saldature dell'integrato SMD MAX1711 

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Ultima cosa prima di concludere, non a tutti serve un gadget del genere ma, con pochissime modifiche può essere usato come prova telecomandi.

Inizialmente ero partito per progettare quello poi, come spesso mi accade sono "partito per la tangente" e ne è uscito fuori questo, nel mio caso più utile del progetto iniziale, solo che ora mi ritrovo a dover riprogettare il provatelecomandi.

   Schema completo in formato fidocad

   Elenco componenti in formato fidocad

   Stampato in formato fidocad

Saluti Amilcare