FLIP-FLOP MICROFONICO Uberti Michele - Ipsia Moretto

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INTRODUZIONE Il FLIP-FLOP MICROFONICO,è un circuito elettronico che viene realizzato per il fine di fare interscambiare il contatto di un relè quando questo riceve in ingresso un segnale acustico in BF. Lo schema elettrico in FIG.1 è abbastanza elementare in quanto presenta al suo interno un integrato di tipo CD.4011 e due transistor (TR1,TR2). C1 10uF 25V C2 1uF 25V CP1 MICRO + - + - R1 1M R2 10K TR1 BC109B R3 1M R4 1M R5 1M C3 100nF 8 9 1 2 U1C CD4011 U1A CD4011 10 3 R6 1M R7 1M 12 13 5 6 C4 470nF U1D CD4011 U1B CD4011 C5 470nF 11 4 R8 1K D1 1N4148 RELAY TR2 BC208C La globalità del sistema è riassumibile in 5 blocchi nei quali vengono esaminate le parti fondamentali del circuito (FIG.2). MICROFONO PIEZOELETTRICO AMPLIFICATORE DI TENSIONE IL MICROFONO PIEZOELETTRICO FLIP-FLOP AMPLIFICATORE DI CORRENTE INTERRUTTORE ELETTRONICO Il microfono piezoelettrico è un trasduttore in grado di trasformare l’energia di una certa forma in energia di altra orma. Basa il suo funzionamento sul fenomeno della piezoelettricità,per cui alcuni corpi cristallini chiamati generalmente cristalli piezoelettrici si possono polarizzare elettricamente a causa di una deformazione meccanica di natura elastica (effetto piezoelettrico diretto). Viceversa si deformano elasticamente se vengono sottoposti all’azione di un campo elettrico (effetto piezoelettrico inverso). A causa della particolare struttura cristallografica,le deformazioni prodotte dall’azione maccanica (che può essere di pressione o di forza) provocano una deformazione all’interno del reticolo cristallino che provoca una separazione del baricentro delle cariche positivo dal baricentro delle cariche negative. Si viene in questo modo ad avere all’interno del cristallo una polarizzazione elettrica che dipende dalla pressione o dalla forza applicata;in questo modo si assiste al fenomeno della distribuzione della cariche positive su una faccia del cristallo enegative sull’altra con una uguale densità di carica data da G=K*P dove K viene definita costante piezoelettrica e dipende dalle caratteristiche del cristallo mentre P è la pressione applicata. La DDP (differenza di potenziale) che viene a crearsi tra le due facce fornisce solamente un segnale di tensione privo di potenza.Questo segnale percui necessita di un amplificatore di carica cioè di un amplificatore ad elevata impedenza di ingresso;nel circuito invece,è stato utilizzato un amplificatore composto da un semplice BJT. La polarizzazione elettrica del segnale segue l’azione maccanica e viceversa con un ritardo di 10E-8 sec;tale risposta rende i cristalli piezoelettrici particolarmente adatti come trasduttori elettromeccanici ed elettroacustici ad alta fedeltà. S1 12V RELE' 12V 2
AMPLIFICATORE Un amplificatore in genere è un dispositivo che contiene al suo interno dei componenti non lineari a tre o più morsetti. Con l’ausilio dell’amplificatore è possibile ottenere l’amplificazione cioè la manipolazione di un segnale che viene modificato aumentandone l’ampiezza del segnale di ingresso che nel caso del flip-flop microfonico è un segnale di tensione privo di potenza. In altri termini un amplificatore incrementa una grandezza elettrica variabile mantenendola proporzionale a se stessa.Per cui l’importanza dei componenti non lineari a più di due morsetti nell’assolvimento di questa funzione è dovuta al fatto che in ogniuno di tali dispositivi è presente un ingresso tale che applicandovi una grandezza elettrica di debole intensità è in grado di far variare proporzionalmente la corrente posta in circolazione tra gli altri due morsetti mediante un generatore esterno. Gli elementi fondamentali all’interno del blocco amplificatore sono i componenti non lineari TR1 e TR2 (transistor NPN tipo BC 109B/208C). I TR dispongono di tre morsetti di cui uno questi è connesso a massa (emettitore). Tale connessione gli permettono di funzionare da amplificatori con i segnali da amplificare connessi alla base. FLIP-FLOP SR I flip-flop sono elementi di memoria costituiti in genere da Latch in combinazione con altre porte logiche. Nel circuito del flip-flop microfonico si possono individuare 4 porte nand che costituiscono il circuito logico rappresentato dall’integrato IC1 che lavora in tecnoloogia Cmos cioè con tensioni di lavoro che rientrano nei valori tra 3 e 18V e con potenze dissipate dell’ordine di 600mW per porta. Questi dati se confrontati con integrati della famiglia TTL risultano elevati perchè questi ultimi dissipano delle potenze intorno ai 10mW per porta e con una tensione fissa di lavoro di 5V. Da questo confronto risulta ovvio che la dissipazione di calore nei Cmos è nettamente maggiore che nei TTL. Le due porte logiche nand collegate all’uscita in quella particolare configurazione realizzano un flip-flop (set reset) mentre le altre due collegate agli ingressi pilotano con le loro uscite gli ingressi di set e reset del flip-flop. RETI RITARDATRICI Le reti a resistenza e capacità costituite da R6-C4 e da R7-C5 realizzano dei ritardi nel circuito logico necessari per eliminare dei disturbi che potrebbero alterare il funzionamento del sistema,infatti nelle porte U1C e U1A gli ingressi 1 e 9 quando sono a livello 0 eseguono uno controllo di memoria percui lo stato d’uscita non varia,mantenendo in uscita (11) lo stato precedente,mentre quando raggiungono il livello logico 1 cambiano lo stato di memoria e di conseguenza anche lo stato delle uscite . In pratica quando viene inviato un segnale agli ingressi del flip-flop (1-9) si assiste all’abilitazione di una delle due porte logiche alla volta (dipende dallo stato di memoria precedente); questa operazione viene eseguita dall’integrato grazie a particolari collegamenti fatti,percui quando una porta è abilita l’altra non permette al segnale di influenzare l’uscita. Vale adire che se è abilitato l’ingresso 9 (comando di set del flip-flop) l’ingresso 1 è interdetto e viceversa se l’ingresso 1 (comando di reset del flip-flop) viene abilitato l’ ingresso 9 è inibito. Le reti RC dell’IC1 hanno una costante si tempo teorica da considerare,che differisce da quella realmente presente e misurata in sede sperimentale:il tempo che realmente impiegano a fornire un livello logico alto sugli ingressi 5 e 13 delle porte U1D e U1B è pari a 708mS,in quanto in corrispondenza di questo tempo il valore di tensione presente sulle porte è circa 1/3 della Vcc cioè 3-4V. Questo valore differisce da quello sperimentale calcolato con i dati dei componenti perchè la costante di tempo calcolata,tramite la formula T=RC,è pari a 500mS. Nel grafico di FIG.3 è rappresentato un diagramma che evidenzia il comportamento ed il funzionamento delle uscite del flip-flop in relazione alle reti ritardatrici ed agli ingressi.Infatti quando C4 è in fase di scarica e C5 in fase di carica e viceversa si nota che a qualsiasi variazione degli ingressi l’uscita non varia il suo stato precedente,mentre quando la carica o la scarica sono a regime si può osservare il cambiamento dello stato d’uscita alla nuova rilevazione di un segnale d’ingresso. DIODO VOLANO Il relè presenta,a causa della bobina di eccitazione,un carico induttivo che, dal passaggio del BJT dallo stato ON allo stato OFF,produce una ddp tra il collettore e l’emettitore che supera la tensione di breakdown dello stesso BJT. Il diodo volano svolge la funzione di smaltire dell’energia magnetica prodotta dalla bobina in modo da non produrre delle sovratensioni ai capi del BJT che altrimenti si distruggerebbe. TRIMMER I due trimmer R2 ed R4 svolgono la funzione di selezionare il segnale d’ingresso del FLIP-FLOP.Infatti il trimmer R2 serve per la regolazione della sensibilità mentre R4 per la soglia di attivazione o disattivazione del FLIP-FLOP. Per 3
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