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La Rosa- PRATICA- Pic Dimmer:- P · PDF filecontinua con una tensione di 12 volt e una potenza di 60 Watt. La regolazione PWM permette una minima dissipazione ... Foto del Pic Dimmer

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  • Un circuito adatto a regolare la velocit

    di motori e la luminosit di lampade o

    carichi elettrici funzionanti in corrente

    continua con una tensione di 12 volt e

    una potenza di 60 Watt. La regolazione

    PWM permette una minima dissipazione

    denergia termica a pieno regime. Il cir-

    cuito dispone inoltre di un display a led

    7 segmenti che indica la percentuale di

    potenza erogata al carico.

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    Molto spesso abbiamo necessit di regolare lavelocit di un motore elettrico oppure la luminosi-t di una o pi lampade o ancora la temperatura diun riscaldatore. Il metodo tradizionale, cio quelloche prevede luso di un alimentatore regolabile,per semplice che sia ha un costo non indifferente,e comporta una forte dissipazione termica, condispendio di molta energia. Con il controllo PWMtutto ci ovviato, e nel caso della regolazione divelocit di un motore, esso potr, fornirci una cop-pia motrice un po superiore a basso numero digiri. Ora facciamo una breve descrizione della tec-nica PWM.

    Controllo in PWMFacendo lavorare un Power MOSFET in regimeimpulsivo, ossia in commutazione. La dissipazionedi potenza molto inferiore, rispetto un controllolineare, poich accade o nella fase in cui il PowerMOSFET in interdizione, e quindi con bassa ten-sione ai suoi capi, o nella fase di conduzione, nor-malmente molto breve. Il controllo PWM (pulsewith modulation) si basa sulla modulazione a lar-ghezza dimpulsi consente, un efficace controllodel carico sia esso una lampada o motore. Perchil carico viene sempre alimento con la tensionedalimentazione (Vcc) del carico, anzich continua,

    ha un andamento rettangolare, con periodo Tcostante e ciclo dutilizzo (duty cycle) variabile. Ilduty cycle (Dc) definito come il rapporto percen-tuale fra il tempo (Ton) durante il quale il segnalepresenta il suo valore alto e il periodo totale (T).

    Naturalmente per ottenere il valore percentualeoccorre moltiplicare il risultato Dc per 100. In figu-ra 2 rappresentata la tensione ai capi di un cari-co generico per valori di duty cycle 50% (a), 75%(b), 25% (c). Il carico, sia per velocit sia per resa,nel caso di un motore sente sostanzialmente ilvalore medio (Vam indicato in figura 2 con la linearossa tratteggiata) della tensione dalimentazione(Vcc), che a sua volta dipende dal duty cycle (Dc)secondo la relazione:

    Pic Dimmer

    Figura 1Foto del Pic Dimmer

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    Nella relazione del calcolo del Vam, il valore Dcdeve essere inserito senza moltiplicarlo per 100.La frequenza della tensione dalimentazione scelta, da qualche KHz in su fino 20 KHz o pi,onde evitare la generazione e la diffusione dirumore, nella gamma delle frequenze udibili,attraverso i conduttori dalimentazione e la car-cassa nel caso di un motore_

    Schema elettricoLo schema elettrico visibile in figura 3 piuttostosemplice. Il circuito basato sul microcontrollorePIC16F628 che dirige tutte le funzioni. Il morsettoX3 lingresso dalimentazione: del PIC, deidisplay, e della decodifica IC1. Il diodo D2 proteg-ge da inversioni di polarit accidentali. Il regolato-re di tensione IC3 stabilizza la tensione dingressosui 5V, i condensatori C7, C8, C11, servono adimpedire che lo stabilizzatore IC3 auto oscilli. Latensione dingresso (Vi) sul morsetto X3 deve esse-re una tensione continua, e con un valore ugualealla seguente relazione:

    Dove Vo e la tensione duscita del regolatore,mentre Vdroput e la tensione minima che devesussistere fra lingresso e luscita del regolatore(valore tipico 4V) affinch esso possa funzionarecorrettamente. Quindi il valore da considerareper un corretto funzionamento del circuito 9V.I condensatori C2 e C3 disaccoppiano la tensio-ne dalimentazione vicino al microcontrolloreIC2 e la decodifica IC1, facendo fronte agli assor-bimenti impulsivi tipici degli integrati CMOS. Ilmicrocontrollore IC2 configurato per lavorarecon un quarzo (Q2) con una frequenza di lavoroda 20MHz. La scelta stata dettata dal fatto chesi voleva ottenere una frequenza di PWM nellagamma delle frequenze non udibili. Di fatto,lorecchio umano in condizioni perfette riesce apercepire frequenze basse di circa 16Hz, e arrivaa frequenze acute anche po superiori a 16KHz. Ilgeneratore hardware di PWM (uscita RB3) delPIC genera una frequenza duscita pari a 20KHzcon un quarzo da 20MHz. Cosi stato risolto ilproblema delle fastidiose frequenze acute, gene-rate dai motori quando la frequenza della PWMadottate sono nel campo del frequenze udibili. Icondensatori C6 e C5 eseguono la stabilizzazio-ne in frequenza del quarzo. I tre display a settesegmenti DIS1, DIS2, DIS3, consentono di visua-lizzare gli 11 step percentuali (0%, 10%, 20%,30%, 40%, 50%, 60% 70%, 80%, 90%, 100%)

    di Giuseppe La Rosa

    Figura 2Tensione dalimentazione in un controllo PWM

  • corrispondenti alla potenza applicata al carico. Ipiedini: 7, 6, 4, 2, 1, 9, del display DIS3 sonoconnessi a Vdd con le relative resistenze (R4, R6,R7) di limitazione della corrente, esso semprealimentato visualizza sempre zero, poich nellavisualizzazione degli undici step sempre pre-sente lo zero, essendo il display delle unit (vedifigura 4). Il display DIS2 connesso ad una deco-difica CD4511 (IC1), vedi il prossimo paragrafo,che provvede a convertire il codice BCD inviatodal PIC, nel codice di visualizzazione a sette seg-menti, esso visualizza le decine da 0 a 9, e ildisplay spento quando visualizzato 0%. I piedi6 e 4 del display DIS1, sono collegati tramite laresistenza R2 alla porta RB5 del PIC.

    Nel momento in cui i piedi 6 e 4 di DIS1 sonoattivati il display, visualizza uno. Il display DIS1visualizza le centinaia ed attivato ogni qualvol-ta che bisogna visualizzare 100%. Il pulsanteSW1 collegato tramite pull up (resistenza R1) aVdd, dotato di un condensatore (C9) antiribal-zo, ogni volta che premuto porta a massa lin-gresso RA1, e incrementa il valore sui display del10% fino ad arrivare al 100%, dopo di che decre-menta fino al raggiungimento del valore 0%,cosi a ciclo infinito. Tutti i valori visualizzati dai

    display, selezionati tramite il pulsante SW1, sonosalvati nellEEPROM del microcontrollore, cosiqualsiasi volta che il circuito sar spento il valorerimarr in memoria, allaccensione del circuito, ilmotore girer alla stessa velocit in precedenzaselezionata, una lampada sar accesa alla stessaluminosit scelta in precedenza.

    Il morsetto X2 in parallelo al pulsante SW1 serveper inserire un eventuale pulsante esterno al cir-cuito stampato. Il buzzer SG1 connesso tramite,il BJT T1 in configurazione dinterruttore elettro-nico alla porta RA2 del PIC. Ha la funzione di ese-guire una nota acustica di durata 20ms, ognivolta che premuto il pulsante SW1, e di segna-lare con unaltra nota acustica di durata 50ms,quando si visualizzano sui display i valori 0% e100%. In modo da segnalare acusticamentequando abbiamo superato questi due valori.La linea RB3 (uscita PWM) pilota tramite la resi-stenza R3, il gate del Power MOSFET Q1 che sicomporta come un interruttore elettronico puro:segnale alto conduce, segnale basso non condu-ce. Mandando al carico il segnale PWM, con lastessa frequenza presente alla linea RB3, ma conla stessa ampiezza, applicata ai morsetti X1-1 eX1-2. Quando il Power MOSFET Q1 passa dalla

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    Figura 3Schema elettrico del dimmer

  • conduzione allinterdizio-ne (nel caso il carico fosseun motore), la correntenellavvolgimento sinter-rompe, e si genera ai capidellavvolgimento unaforza elettromotrice indot-ta, che tende ad opporsialla causa che la ha gene-rata. Si ha pertanto unasovratensione sul drain diQ1, che lo pu danneg-

    giare. Per evitare questinconveniente, inseritoil diodo D1, detto di libera circolazione delle cor-renti reattive. Esso entra in conduzione quandovi sovratensione, si ha la circolazione di corren-te nella maglia costituita dallavvolgimento delmotore e il diodo D1, con una rapida dispersio-ne dellenergia accumulata nellinduttore. Ildiodo led (LED1) monitorizza luscita RB3,variando la luminosit da 0 al 100%, in coinci-denza del valore visualizzato a display. Il pontediodi B1 raddrizza la corrente alternata prove-niente dai morsetti X1-1 e X1-2, dopo di che livellata dal condensatore C1, e di seguito disa-copiata dal condensatore C4. Con questa solu-zione non possibile alimentare in alternata,carichi che assorbono pi di 1A. Poich il con-densatore C1 ha una bassa capacit quindi insuf-ficiente, ad immagazzinare la corrente, cheoccorre quando la sinusoide scende verso il suominimo valore. Inoltre il ponte diodi dissipamolto calore per carichi superiore lampere. Inseguito la soluzione da usare per carichi ad altoassorbimento, quella di ponticellare il pontediodi B1, e alimentare il circuito con tensionecontinua adeguata al carico.

    Decodifica CD4511La decodifica CD4511 il cui pinot rappresenta-to in figura 5, una CMOS, pu, essere alimen-tata con tensioni comprese tra 4.5V e 15V. Essapu pilotare display catodo comune, in figura 4e visibile la connessione dei piedini. I piedini con-

    trassegnati con le lettere: Qa, Qb, Qc, Qd, Qe,Qf, Qg, consentono di alimentare i display. I pie-dini contrassegnati con le lettere: D1, D2, D3,D4, servono ad accendere sui display tutti inumeri da 0 a 9 portando questi ingressi a livel-lo alto. Oltre ai piedini citati in precedenza, ve nesono altri contraddistinti con le seguenti sigle: Vcc piedino 16 va connesso alla tensione positi-

    va dalimentazione. GND piedino 8 va collegato alla massa dalimen-

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