Pallina di Natale cambia colore

Una decorazione decisamente speciale: si accende autonomamente e varia la propria colorazione dissolvendo da una tinta all’altra, donando effetti luminosi suggestivi senza bisogno di centraline.

Le sfere utilizzate per decorare l’albero di Natale possiamo dire di averle viste di tutti i tipi, sia passive, sia luminose; queste ultime sono solitamente illuminate dall’interno mediante una microlampadina a incandescenza o -nelle versioni più moderne- da LED, divenuti gli ideali sostituti delle tradizionali lampadine.

Queste sfere possono funzionare in vario modo, a seconda di come vengono alimentate: con il classico intermittente pulsano lentamente, alimentate fisse si accendono costantemente, mentre è possibile far compiere loro dei giochi di luce pilotandole con le apposite centraline, che qualcuno chiama “computer”.

In questo post vogliamo proporre qualcosa che va oltre, perché si tratta di una sfera luminosa a LED, che però genera in proprio (autonomamente) gli effetti luminosi: un concentrato di tecnologia che utilizza non un diodo luminoso qualsiasi né un RGB, che ormai oggi è la normalità, bensì uno speciale LED RGB che integra un microcontrollore in grado di generare effetti luminosi come la dissolvenza dei colori.

Ma andiamo con ordine analizzando lo schema elettrico, peraltro semplicissimo, in quanto si riduce a pochissimi componenti.

Schema della sfera di Natale

Il circuito, come vedete, consta semplicemente dello speciale LED “intelligente” a tre colori, più una sezione che lo alimenta automaticamente quando la luminosità nell’ambiente è sufficientemente bassa da farci apprezzare la luce che la sfera emette.

Che dire? Non solo abbiamo un LED che si accende con vari colori e fa tutto da sé, ma anche una palla decorativa autoalimentata, che si accende soltanto quando serve, così da risparmiare la pila a bottone CR2032 con la quale la alimentiamo. Quindi non ci servono né alimentatore, né i fastidiosi fili da avvolgere intorno all’albero, che si annodano con le altre decorazioni.

L’attivazione controllata da un sensore di luminosità ambiente ci permette di consumare l’energia della pila soltanto quando serve, così da aprire il meno possibile l’involucro, a due semisfere incastrate l’una nell’altra, per la manutenzione e ci permette di tenere in funzione la nostra palla RGB per tutte le feste di fine d’anno, senza doverla alimentare.

Partiamo dal componente più interessante, che è il LED intelligente, ovvero il LED cambia colore da 5 mm: si presenta come un comune LED con l’involucro trasparente, quindi ha solo due terminali (anodo e catodo) che gli servono a prelevare l’alimentazione.

All’interno di questo case si trova un chip (ben visibile come parallelepipedo nero dal contenitore trasparente) che mediante quattro fili pilota il chip del LED RGB vero e proprio: guardando il componente dall’alto riuscite a vedere, grazie all’effetto “lente di ingrandimento” della cupola in resina trasparente, i quattro conduttori in alluminio che partono da altrettante piazzole del chip di controllo e raggiungono quello del LED.

Quest’ultimo consta in effetti di tre giunzioni PN ognuna di un colore differente; le lunghezze d’onda sono 625 nm per il rosso, 520 nm per il verde e 470 nm per il blu. Le intensità luminose delle tre giunzioni (a una corrente diretta If = 20 mA) ammontano a 1.600 mcd per il rosso, a 2.800 mcd per il verde e a 1.300 mcd per il blu.

 

 

Quando viene alimentato, il LED cambia colore in modo automatico inizialmente a luce rossa, poi verso il lilla, il viola, il blu, il verde, il giallo e poi di nuovo il rosso, ricominciando il ciclo. La tensione di alimentazione che garantisce il funzionamento del componente è intorno ai 3 volt e quella massima di 4,5V.

Come accennato, l’accensione del diodo intelligente è comandata da un interruttore crepuscolare statico, formato dal transistor T1 e dal fototransistor LDT1; quest’ultimo è un L-7113P3C incapsulato in un contenitore tipo quello di un LED tondo da 3 mm di diametro e rende disponibili due soli elettrodi (collettore ed emettitore) che poi sono quelli che ci servono effettivamente (la base può tranquillamente rimanere fluttuante, visto che non ci serve rapidità di risposta alle variazioni di luce).

La base del fototransistor è esposta alla luce ambientale tramite la cupola dell’involucro trasparente, che la concentra su di essa; in condizioni di buio o debole intensità luminosa, il fototransistor è interdetto, vale a dire che tra collettore ed emettitore non scorre che la debolissima corrente di saturazione inversa Icbo o poco più.

Quindi la tensione sulla base del BC547B è praticamente determinata dalla corrente nella resistenza R1, ad un valore comunque sufficiente a mandare tale transistor praticamente in saturazione; in tali condizioni la caduta tra collettore ed emettitore del BC547B è dell’ordine di poche centinaia di millivolt e la corrente di collettore dello stesso può alimentare e mettere in funzione il LED cambiacolore LD1, che inizia a funzionare e a riprodurre le animazioni predefinite nel chip di controllo, le quali consistono sostanzialmente nella variazione del colore ottenuto dalla dissolvenza delle tinte base rosso, verde, blu.

Per l’esattezza, inizialmente vengono accesi uno per volta i tre colori, poi si passa alla loro dissolvenza, poi all’accensione di una coppia di colori per volta (rosso-verde, rosso-blu, verde-blu) e alla loro accensione combinata in dissolvenza, quindi il ciclo si ripete.

Quando la luce diventa consistente, nella giunzione base-collettore del fototransistor si liberano elettroni, disponibili per la conduzione, che danno origine a una corrente di base; per effetto del campo elettrico collettore-base, tali elettroni vengono portati in circolo nel circuito ad alta resistenza della giunzione di collettore, generando la corrente di collettore, che è tale da far scendere la Vce a poche centinaia di millivolt a causa della caduta sulla resistenza R1, che in condizioni di oscurità è praticamente irrilevante.

L’abbassamento della Vce rispetto al valore a riposo interdice il transistor T1, il quale ora non è più attraversato dalla corrente che occorre a mantenere acceso e in funzione il LED intelligente. Vedete quindi che la nostra palla dell’albero di Natale si accende e ci mostra la propria animazione solo quando nel locale o comunque nell’ambiente dove è posizionata, c’è poca luce.

Piano di montaggio della sfera natalizia

Elenco Componenti:

R1: 100 kohm
T1: BC547
LD1: LED RGB intelligente 5 mm
LDT1: Fototransistor L-7113P3C
E1: porta batteria CR2032

Varie: 
- Circuito stampato PMK197
(Ø 38 mm)

 

Realizzazione pratica

Iniziate le saldature del kit montando per prima la resistenza, poi dal lato opposto saldate il portapila a bottone per la CR2032; tornate quindi sul lato dove si trova la resistenza e inserite il BC547, il fototransistor e il LED intelligente, tutti da disporre come mostra il disegno di montaggio che trovate in queste pagine.

Ricordate che nel LED il positivo è il reoforo più lungo (il negativo è quello situato dal lato smussato del contenitore) e nel fototransistor il terminale che si trova dal lato smussato del contenitore è il collettore (l’emettitore è l’altro). Per il BC547, considerate che guardandolo in piedi dal lato delle scritte i piedini sono, da sinistra a destra, collettore, base, emettitore.

 

Una volta completate le saldature potete inserire la pila CR2032 nell’apposito portapile a clip tenendola con il positivo (l’elettrodo più esteso) verso l’alto, ossia dalla parte opposta alle piazzole del PCB.

Inserite quindi il tutto in una sfera trasparente o anche colorata, ma ad alta trasparenza, altrimenti oscurerà in parte il fototransistor, col risultato che il LED cambiacolore rimarrà sempre in funzione, a discapito dell’autonomia del circuito.

Realizzate tante palline quante ve ne servono e addobbate pure l’albero di Natale secondo il vostro gusto; potete anche legare una o più sfere a dei festoni con cui decorare la porta di casa o le finestre.