Esercitazione di laboratorio 1 Generatore di onda quadra e controllo

ELETTRONICA PER L’INFORMATICA
AA 2005-06
ESERCITAZIONE DI LABORATORIO 1
Sede di IVREA
Esercitazione di laboratorio 1
Generatore di onda quadra e controllo a parzializzazione
Scopo dell’esercitazione
Scopo di questa esercitazione è verificare il comportamento di un generatore di onda quadra
con variazione del duty cycle, e utilizzarlo per regolare la corrente in un carico con la tecniche
della parzializzazione.
Strumenti e componenti richiesti
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Alimentatore 5V e 12V (almeno 0,5 A sul 12V)
Basetta per il montaggio del generatore di onda quadra e relativi componenti
Carico da pilotare (lampada 12 V 20/5 W)
Transistore (MOS o BJT: TIP31) di comando
Multimetro e oscilloscopio per le misure
Avvertenze
Se l’elemento di controllo (transistore) non è pilotato in modo corretto, può dissipare potenza
e quindi scaldare fino a danneggiarsi, o comunque raggiungere temperature tali da provocare
scottature.
Nei circuiti CMOS tutti gli ingressi devono essere collegati a un livello logico corretto.
Specifiche
Frequenza del generatore di onda quadra: variabile da 100 Hz a 1000 Hz circa.
Campo di variazione del duty cycle: dal 10% al 90%.
Carico da comandare: lampadina 12V 5/21W (corrente nominale 0,4/1,75 A; viene usato solo
il filamento a bassa potenza)
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AA 2005-06
ESERCITAZIONE DI LABORATORIO 1
Sede di IVREA
Progetto
La sequenza di passi di progetto o di analisi è la seguente:
1. progettare il generatore di onda quadra con le seguenti caratteristiche:
uso di comparatore con isteresi tipo 74HC14 o CD4093,
frequenza 10 kHz, duty cycle 50%
Il trigger è un 74HC14 alimentato a 5 V. Resistenza di reazione da 100 kohm.
Ricavare le soglie dal data sheet.
Calcolare il valore del condensatore (una relazione molto approssimata è periodo = 0,9 τ;
verificare come nasce e quale è il livello di approssimazione)
2. progettare il circuito di controllo lineare, con transistore bipolare TIP31 (beta = 100) di una
lampadina da 12 V 5W (corrente max 420 mA).
Calcolare la dinamica di corrente di base richiesta, e progettare una R di base adatta a
fornirla partendo da un alimentatore regolabile da 0 a 5 V (o un potenziometro dalla
alimentazione).
Calcolare la potenza dissipata sul transistore quando la corrente è metà della massima (a
questo punto di funzionamento corrisponde anche la potenza dissipata massima).
3. progettare la rete di comando del transistore, per pilotare il carico ON-OFF; valutare la
potenza dissipata in queste condizioni dal transistore
La rete è una resistenza Rb; per fornire la corrente richiesta occorre collegare in parallelo la
uscite di quattro inverter (ovviamente anche gli ingressi devono essere collegati tra di loro).
La potenza dissipata è minima (teoricamente nulla).
4. modificare il circuito del generatore di onda quadra per variare il Duty Cycle dal 10 al 90%
(comando con potenziometro da 1Mohm)
Separare con due diodi i percorsi di carica e scarica del condensatore; una delle resistenze
rimane fissa a 100 kohm, l’altra varia da 10 k a 1 Mohm (potenziometro collegato come
resistenza variabile). Non modificare il valore del condensatore.
5. sostituire il potenziometro con una fotoresistenza (ipotizzando un valore minimo < 10k e
uno massimo > 1 Mohm). Analizzare il comportamento del circuito quando la
fotoresistenza è illuminata dalla lampadina (quale verso deve avere il segnale di
comando per stabilizzare la luminosità della lampadina ?)
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Montaggi e misure
Ricordare che nei circuiti CMOS tutti gli ingressi devono essere collegati a un livello logico
corretto. Non lasciare scollegati gli ingressi dei trigger inutilizzati.
Le misure e verifiche previste in questa esercitazione, da eseguire in successione
corrispondente alle fasi di progetto elencate in precedenza, sono:
1. verificare il funzionamento del trigger HC14 applicando all’ingresso un segnale triangolare
da 0,5 a 4,5 V.
Attenzione: tensioni esterne all’intervallo GND-Val distruggono l’integrato. Predisporre e
verificare il segnale triangolare prima di collegarlo al circuito, applicare in serie all’ingresso
una resistenza di protezione da 10 kΩ, e accendere l’alimentatore prima del generatore di
onda triangolare (sequenza di spegnimento inversa).
2. verificare il funzionamento del generatore di onda quadra, misurando frequenza e duty
cycle del segnale generato
3. verificare il funzionamento del circuito di controllo lineare, con transistore bipolare.
La luminosità della lampadina deve variare da 0 a un massimo.
Verificare la Vce per luminosità minima (12 V) e massima (circa 0 V).
Verificare che portando la lampadina a metà corrente (Vce = 6V, lampadina a ¼ della
potenza massima) la temperatura del transistore aumenta in modo consistente (è la
condizione di massima potenza dissipata).
4. verificare il comando ON/OFF del carico.
Verificare Vce con l’oscilloscopio; se il comando è corretto deve variare da 0 a 12 V.
Eventualmente inserire in parallelo al condensatore da 1 nF un altro condensatore da 100 o
200 nF; la frequenza del segnale di comando si abbassa fino a rendere visibile accensione e
spegnimento
Verificare che il transistore rimane a temperatura ambiente (potenza dissipata minima).
5. verificare la variazione del duty cycle del segnale di comando, e che la luminosità media
varia di conseguenza
6. verificare che variazioni di illuminamento della resistenza determinano variazione del duty
cycle.
Illuminando la resistenza con la lampadina pilotata dal transistore, se la reazione è negativa,
è possibile stabilizzare la luminosità della lampadina al variare della tensione di alimentazione
(verificare inizialmente con piccole variazioni).
Se occorre invertire il segno della reazione inserire un inverter tra uscita del generatore e
porte che pilotano il transistore (si inverte il duty cycle).
Per questa verifica può essere necessario schermare la fotoresistenza dalla luce ambiente.
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Discussione dei risultati
Confrontare i risultati delle verifiche e delle misure con le specifiche di progetto o con i risultati
previsti dai calcoli.
Presentare i risultati nella relazione (max 4 pagine).
Schema del circuito base generatore di onda quadra
100 kΩ
74HC14
Vu
1 nF
Circuito di comando del carico
12 V
L
12 V
5W
Rb
TIP31
Generatore di onda quadra con variazione del duty cycle
Val (5V)
1 MΩ
100 kΩ
10 kΩ
74HC14
Vu
1 nF
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