Albero di Natale in SMD

Decorazione natalizia dal sapore amarcord di semplicissima costruzione e alla portata di tutti.

Albero di Natale in SMD - Montato

In questo Natale più che mai, c’è bisogno di spensieratezza, di allegria e di scaldarci con i simboli della festa e della tradizione, per allontanare la preoccupazione e i timori che i vari problemi economici ed energetici stanno influenzando questo periodo. Ecco quindi che vogliamo riproporvi una decorazione natalizia che vi allieterà guardando le sue luci lampeggiare e la cui costruzione e preparazione vi distoglierà dai cattivi pensieri, ancor più laddove siate costretti a rimanere a casa.

Ciò che abbiamo preparato e vi proponiamo è un albero di Natale formato miniatura con tanto di circuito stampato sagomato (per farvi lavorare un po’…) a forma di pino e dotato di 28 lampadine composte da altrettanti LED, accesi a gruppi di sette per volta.

Per dare un tocco di modernità a quello che potremmo considerare un classico, abbiamo scelto di realizzare il tutto a montaggio superficiale, il che vi permetterà di ottenere un circuito praticamente piatto e quindi inseribile in buste, contenitori sottilissimi anche improvvisati, forme, pannelli ecc. Naturalmente potete metter quanti di questi gadget volete e in vari luoghi: non solo sull’albero di Natale ma anche sulla porta di casa, appeso a strenne e decorazioni passive o luminose, ma anche nelle vetrine di un negozio.
Ma andiamo dunque a vedere di cosa si tratta.

Schema elettrico dell’albero di Natale in SMD

Partiamo dall’analisi del circuito: si tratta di un circuito essenziale composto unicamente da componenti discreti, a dimostrazione di come ancora oggi possano essere svolte funzioni di sicuro effetto senza dover per forza scomodare logiche cablate o microcontrollori; infatti vediamo “in campo” tre transistor, altrettanti condensatori, 21 LED e 24 resistenze, più un interruttore per sezionare l’alimentazione (è prevista una pila da 9 volt).

Il circuito propone il lampeggio alternativo di tre gruppi di LED, disposti sullo stampato dell’albero come le strisce di lampadine sarebbero in una configurazione a spirale attorno al vero albero di Natale; il gioco di luci risultante è ottenuto da quello che possiamo considerate un multivibratore astabile a transistor, però un po’ inconsueto in quanto formato da tre BJT (in questo caso NPN) e quindi da tre stadi invece dei 2 canonici.

Analizziamone dunque il funzionamento immaginando di applicare l’alimentazione (quindi chiudere l’interruttore SW1) quando i condensatori C1, C2 e C3 sono completamente scarichi: in questa condizione, teoricamente tutti e tre i transistor hanno le basi alimentate dalle rispettive resistenze di polarizzazione, che sono R22 per il T1, R23 per il T2 ed R24 per il T3.

Questo però non basta a farli condurre, perché se è vero che ciascuno è polarizzato, è vero altrettanto che verrà portato in conduzione uno solo alla volta, dato che le basi degli altri due, ossia quelli che non avranno fatto in tempo a entrare in conduzione, saranno condizionate dalla connessione realizzata tramite i condensatori, che le cortocircuiteranno praticamente con i rispettivi emettitori (che sono a massa).

Ciò accade perché i transistor, pur essendo dello stesso tipo, in realtà presentano differenze costruttive (non a caso i costruttori di semiconduttori nei datasheet specificano un range di parametri come ad esempio l’hfe, che va dal minimo al tipico, fino al massimo) tali che a parità di tensione di polarizzazione (tutte le resistenze di base sono alimentate dalla linea positiva comune +9V) uno dei tre inizierà a condurre per primo, ad esempio perché ha una Vbe (tensione base-emettitore) di soglia inferiore a quella degli altri due e/o un guadagno in corrente maggiore. In questo contesto concorrono anche le tolleranze dei resistori componenti il circuito.

Bene, immaginiamo che ad entrare in conduzione per primo sia il T1: inizia a fluire corrente nel suo collettore, il quale assume un potenziale decrescente e tale da “tirare” verso massa la base di T2 attraverso il condensatore C2, il quale, ipotizzato che sia inizialmente scarico, si presenta come un cortocircuito. Per effetto di ciò, l’NPN rimarrà inizialmente interdetto finché C2 non si sarà caricato attraverso il predetto condensatore.

La tensione tra collettore ed emettitore di T2 sarà abbastanza alta da forzare la carica del C3, il quale però inizialmente scarico, sarà praticamente un cortocircuito e porterà il livello alto sulla base del T3, il quale fino a quel momento rimarrà in conduzione; infatti mentre la base di T2 è bloccata a livello basso dal collettore di T1, quella del T3 non ne segue le vicende e trovandosi polarizzata attraverso la resistenza R4, con C3 che dall’armatura opposta è a livello alto, avremo il predetto T3 in saturazione.

Tale condizione farà scendere praticamente a zero volt il potenziale dell’armatura di C1 connessa al collettore e ora tale condensatore verrà scaricato attraverso la R22, tanto da interdire in breve tempo il T1, giacché causerebbe un abbassamento della Vbe di quest’ultimo al disotto di quella di soglia. Quindi determina ora la scarica del C2, che si stava caricando attraverso la resistenza R23, il quale poi verrà ricaricato con polarità opposta (avendo ora il positivo sul collettore del T1 e non più sulla base del T2) fin quando la Vbe del T2 non sarà tale da portare quest’ultimo in conduzione, allorché il suo collettore scenderà a circa zero volt e trascinerà con sé l’armatura del C3 dal suo lato.

Adesso tale condensatore verrà scaricato, determinando un impulso di tensione a livello basso sulla base di T3, che passerà all’interdizione: il suo collettore si porterà a livello alto e tale condizione scaricherà C1 per poi avviare la carica con polarità opposta, ma nel frattempo la corrente in C1 sarà tale da portare in pochi istanti la base del T1 a livello alto, facendolo nuovamente condurre e ricominciando quindi il ciclo appena descritto.

Albero di Natale in SMD - Montato

Abbiamo quindi questa sequenza di commutazione: inizialmente T1 e T3 in saturazione con T2 interdetto, poi T1 interdetto, T2 in saturazione, T3 interdetto, T1 nuovamente in saturazione, T2 interdetto, T3 in saturazione e via di seguito.

Quindi il circuito parte praticamente con T1 in conduzione e immediatamente dopo T3, mentre T2 è interdetto, poi andrà in conduzione un solo transistor per volta; questa modalità di funzionamento fa sì che avremo accesi i sette LED collegati (ciascuno mediante una resistenza di limitazione) al collettore di ciascun transistor solo quando quest’ultimo andrà in saturazione, vale a dire LD1÷LD7 (LED rossi) alla conduzione del T1, LD8÷LD14 (blu) con T2 in saturazione ed LD15÷LD21 (verdi) quando a condurre sarà T3. Il LED LD20 è posizionato proprio al centro della stella, per questo motivo abbiamo preferito utilizzare un colore giallo rispetto al verde.

Naturalmente la sequenza potrebbe essere diversa, perché se a partire in conduzione fosse T2, avremmo inizialmente T3 interdetto e T2 in conduzione e via di seguito.
A questo punto è opportuno precisare che il circuito, più che un astabile a tre stadi è da vedersi come la connessione ad anello (in loop) di tre temporizzatori elementari (monostabili) retriggerabili: quello basato su T1 pilota quello realizzato intorno a T2, il quale è in cascata con il blocco facente capo a T3, il cui collettore pilota attraverso il condensatore C1 il transistor T1. Infatti le vicende di ognuno vanno a ripercuotersi su quello che segue e si può innescare una commutazione ciclica per il fatto che l’ultimo della catena interviene sullo stato del primo.

Chiudiamo qui l’analisi del circuito con l’alimentazione, la quale deve essere a tensione continua applicata tra i contatti + e – BAT1; trattandosi di un circuito da appendere con una certa libertà, abbiamo ipotizzato di alimentarlo con una pila a secco di quelle da 9V (la classica nata per le radio a transistor) ma nulla vieta, ad esempio se l’alberello viene applicato all’albero di Natale come decorazione luminosa insieme a strisce di lampadine o di LED, di predisporre l’alimentazione da rete tramite un piccolo alimentatore con uscita a tensione continua di 9V, dato che l’alimentazione elettrica l’avete già per il resto delle luminarie.

La corrente assorbita dal circuito è molto ridotta, perché se è vero che ci sono ben 21 LED, è vero altrettanto che a regime (ossia dopo il brevissimo transitorio iniziale) se ne accende una fila per volta, determinando un prelievo dai contatti di alimentazione dell’ordine dei 60 milliampere di media. Quindi se usate un alimentatore da rete vi basta che eroghi 9V e 100 mA.

 

Piano di montaggio

Elenco componenti

R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7: 1 kohm
R8, R9, R10, R11, R12, R13, 
R14, R15, R16, R17, R18, R19, R20, R21: 510 ohm
R22, R23, R24: 10 kohm
C1, C2, C3: 10 µF ceramico
LD1, LD2, LD3, LD4, LD5, LD6, LD7: LED rosso 
LD8, LD9, LD10, LD11, LD12, LD13, LD14: LED blu
LD15, LD16, LD17, LD18, LD19, LD21: LED verde
LD20: LED giallo
Q1, Q2, Q3: BC817
SW1: Deviatore a slitta
BAT1: Clip batteria 9V

Varie: 
- Circuito stampato S1538
(96x75 mm)

Realizzazione pratica

Bene, ciò detto passiamo alla costruzione dell’alberello, che al solito inizierà dal circuito stampato: si tratta di una basetta a doppia ramatura che potete realizzare con il servizio PCBPRODUCTION

Passate quindi ai componenti, ricordando che sono tutti SMD in case 0805 e che per la loro saldatura vi serviranno del filo di lega saldante sottile (massimo 0,5 mm di diametro) e un saldatore con punta fine, oltre a una pinzetta per il posizionamento e una lente d’ingrandimento per centrare bene gli elementi sulle piazzole e verificare come sono venute le saldature.
Per facilitarvi il lavoro consigliamo di spalmare con un pennellino della pasta flussante sulle piazzole prima di applicare i componenti, il che agevolerà posizionamento e scioglimento dello stagno.

Ricordate di seguire, in ogni fase, il piano di montaggio visibile in queste pagine, che vi guiderà nel corretto posizionamento dei 21 LED, che potrebbero anche essere “girati” e quindi una volta alimentato il circuito non si accenderebbero perché verrebbero polarizzati inversamente; per facilitarvi il compito, sappiate che normalmente sul corpo dei LED SMD, lateralmente e dalla parte del catodo, c’è un segno colorato o una tacca o una parte in rilievo).

Tutti i componenti si saldano su una faccia del PCB..

 

Il montaggio è meno critico per i transistor, giacché si posizionano solo in un modo, ovviamente a patto di non metterli sottosopra, cosa però difficile perché i piedini sono sagomati in modo da non lasciare dubbi su quale è il lato su cui appoggiare il corpo dei componenti.

Completate le saldature, con la lente d’ingrandimento verificate che siano tutte ben fatte e che non siano rimasti “baffi” di stagno a cortocircuitare piazzole o terminali vicini, quindi date una pulita alla basetta con del “rimuovi flussante” (si trova in commercio sotto forma di spray o flaconcino) o semplicemente con del diluente alla nitro, quindi il vostro alberello è pronto per essere installato.
Se pensate di alimentarlo a pila, applicate sul retro mediante del nastro biadesivo spesso un portapila idoneo allo scopo, dotato di doppino rosso-nero e connettete i due fili ai contatti + (il rosso) e – (il nero) BAT1.

Volendo potete, come abbiamo fatto nel nostro prototipo, evitare il portapila e utilizzare per la connessione una presa volante per pile da 9V, collegandone i due fili rosso e nero come indicato, quindi applicare direttamente la pila con del biadesivo spesso al retro del PCB.

Se invece pensate all’alimentazione da rete, connettete i fili di uscita del vostro alimentatore da 9Vcc a + e – BAT1 seguendo sempre la polarità indicata; collegatevi con una piattina, magari alla fonte di alimentazione di una centralina di controllo luci che già accende le luminarie dell’albero che andrete a decorare o strisce luminose di casa.

Vi ricordiamo che la frequenza di lampeggio delle file di LED, pur essendo fissa non è obbligatorio tenerla com’è (circa 3 hertz): potete modificarla a piacimento, per esempio rallentando (se vi sembra troppo rapida) la pulsazione della luce mediante la sostituzione dei tre condensatori con elementi di valore maggiore; in teoria, raddoppiando le capacità dimezzate la frequenza del lampeggio e via di seguito.

La pila applicata con del biadesivo dietro al PCB.

 

Download Gerber

 

Bene, con questo vi abbiamo detto proprio tutto e non ci resta che augurarvi buon lavoro, buon divertimento nell’addobbare i vostri locali e soprattutto… Buon Natale!

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