Ricordiamo, a tale riguardo, che la caratteristica degli ingressi a trigger di Schmitt è che le soglie di commutazione da livello logico basso ad alto e viceversa cambiano in funzione dello stato logico dell’uscita; nel caso della NAND, la tensione necessaria ai due ingressi per far commutare l’uscita da 1 a zero logico deve salire di più di quanto serve a far tornare l’uscita stessa a livello alto.

Ne deriva che quando la tensione sugli ingressi sale oltre il livello che fa passare l’uscita a zero logico, affinché l’uscita stessa torni ad assumere l’uno deve scendere a un valore inferiore.

Questo comportamento serve per stabilizzare la commutazione in presenza di livelli agli ingressi non particolarmente stabili ed è ciò che permette di realizzare, con porte logiche a Trigger di Schmitt, degli oscillatori e, per l’esattezza, di multivibratori astabili come quelli che nel nostro circuito sono basati su U1b e U1c.

Dunque, visto che siamo arrivati a esporre il funzionamento delle porte logiche a trigger di Schmitt possiamo spiegare come funzionano in due multivibratori astabili, partendo da quello che fa capo a U1c, ossia quello che lavora a bassa frequenza; partiamo dalla condizione iniziale, ossia circuito appena alimentato e condensatore C1 scarico: in tale situazione, essendo il piedino 13 fisso a livello alto (perché collegato all’alimentazione positiva del circuito) la NAND presenta l’uscita a 1 logico e ciò fa iniziare la carica del C1 attraverso la resistenza R1.

Ad un certo punto della carica la tensione ai capi del condensatore supera la soglia corrispondente all’1 logico relativo al livello alto in uscita e la U1c si trova entrambi gli input a 1, quindi la sua uscita commuta a zero.

Adesso per far commutare lo stato dell’uscita da 1 a zero non basta più che la tensione sul C1 scenda al valore che ha causato la commutazione da 1 a zero logico del piedino 11, ma deve scendere maggiormente, fino alla soglia inferiore del trigger di Schmitt; questo richiede un certo tempo, che è ciò che determina poi il periodo dell’onda rettangolare registrabile all’uscita della NAND.

Quando viene raggiunta tale soglia, l’uscita della U1c ritorna ad 1 logico e il C1 riprende a caricarsi fino a che la tensione ai suoi capi supera nuovamente quella della soglia superiore, che stavolta è quella corrispondente all’uscita a 1 logico. Riprende così il ciclo appena descritto e si instaura un fenomeno ciclico che porta a un periodico alternarsi degli stati 1 e 0 all’uscita della porta logica e quindi alla generazione di un segnale rettangolare, la cui frequenza (f) vale, con una certa approssimazione: f = 2/RC.

Se il valore del condensatore è espresso in microfarad e quello della resistenza in Mohm, la frequenza risulta in Hz. Nel nostro caso, avendo un C1 da 0,1 microfarad e una R1 da 0,47 Mohm, la frequenza di oscillazione vale circa 44 Hz.

Stabilito questo andiamo a vedere come funziona il resto del circuito, seguendo il percorso dell’onda rettangolare uscente da U1c e passata attraverso il trimmer R2, la cui funzione è adattare la sensibilità del circuito al tipo di terra e alle necessità d’acqua della pianta cui verrà applicata la nostra “foglia” elettronica: il segnale rettangolare viene idealmente diviso per il fattore di divisione determinato dal partitore di tensione formato, appunto, da R2 ed R3, considerando anche l’effetto della resistenza della terra rilevata attraverso i puntali A e B.

Quindi a parità di posizione del cursore del trimmer, l’umidità della terra farà scendere l’ampiezza del segnale prodotto dal primo monostabile.

Notare che il condensatore C2 è stato posto nel circuito per evitare fenomeni di elettrolisi del rame e dell’eventuale stagno dell’argentatura delle piste collocate sulle punte del circuito stampato; infatti se avessimo applicato ad esse una tensione continua, derivante dal circuito di rilevamento della resistenza, a lungo andare il polo negativo avrebbe attratto gli ioni migranti del metallo, erodendo l’elettrodo positivo.

Invece inserendo il condensatore e sfruttando il fatto che ai contatti A e B portiamo un segnale impulsivo, quando l’uscita della NAND U1c si trova a livello logico alto il condensatore viene caricato attraverso la resistenza vista tra le punte, mentre in corrispondenza dello stato logico al piedino 11 il C2 verrà scaricato.

Questa modalità di funzionamento fa in modo che nella “resistenza” costituita dalla terra fluisca una corrente bidirezionale per evitare fenomeni di elettrolisi.

Bene, stabilito ciò andiamo a vedere cosa accade nel resto del circuito, ovvero, dato che il segnale ad alta frequenza generato dal primo astabile entra in una porta logica, anch’essa una NAND (tutte le quattro usate si trovano un unico circuito integrato CMOS, che è U1), cosa succede in due precise condizioni: quando l’ampiezza dell’onda rettangolare supera l’1 logico e quando non raggiunge la relativa soglia del Trigger di Schmitt relativo alla U1d. Ebbene, nel primo caso la NAND restituisce alla propria uscita un’onda rettangolare di pari frequenza ma invertita di fase, ossia 1 logico quando al piedino 9 si presenta lo zero e livello basso quando il predetto piedino è a zero.

Il segnale uscente dalla U1d entra negli input della U1a, uniti a formare un inverter logico (avremmo potuto farlo con una porta NOT ma ci sarebbe servito un ulteriore circuito integrato, peraltro sprecato, quindi abbiamo usato ciò che c’è all’interno del CD4093…) la cui uscita riporta il segnale rettangolare in fase con quello generato dall’astabile facente capo a U1c.

Questo segnale viene impiegato per controllare l’attività del secondo astabile, ma non direttamente, bensì mediante una sorta di raddrizzatore a singola semionda (anche se è improprio usare questo termine perché il segnale rettangolare in questione è unidirezionale) formato dal diodo D1, dal condensatore elettrolitico C5 e dalla resistenza R8, il cui scopo è ricavare dall’alternanza di stati logici fornita dall’uscita della NAND U1a una componente continua e livellata, che determina il livello logico alto. Tale condizione dev’essere stabile, altrimenti il secondo astabile, quello facente capo a U1b, non funzionerebbe correttamente.

Il funzionamento del circuito raddrizzatore è semplice: ogniqualvolta la tensione in arrivo dal piedino 3 dell’U1 è a livello alto (circa 3 volt) supera la tensione di soglia del diodo D2 (che è 0,6V) e quest’ultimo conduce, lasciando che la corrente fluisca e vada a caricare l’elettrolitico, mentre in corrispondenza del livello logico basso il diodo è interdetto e la carica del condensatore viene interrotta.

Il valore dell’elettrolitico è tale che alla frequenza in arrivo dal primo astabile la tensione tra le sue armature salga a 2,4V (3V del livello logico alto meno la caduta diretta sul D2) in pochi impulsi; la resistenza ad esso in parallelo è stata inserita per fare in modo che il condensatore possa scaricarsi leggermente durante le pause a zero logico e a circuito spento, ovvero quando la U1a non fornisce segnale per le cause che ora spiegheremo.

Il suo valore è comunque abbastanza elevato da permettere, in presenza del segnale del primo astabile, di mantenere sul piedino 5 della U1b una tensione praticamente piatta e corrispondente all’1 logico.
Sul funzionamento dell’astabile relativo ad U1b non ci dilunghiamo, in quanto, eccezion fatta per il bipolo D1-R5 posto in parallelo alla resistenza di retroazione R4, è lo stesso del primo astabile, che abbiamo già spiegato.

Va solo aggiunto che D1 ed R5 sono stati inseriti per differenziare la durata dei livelli logici all’uscita della NAND, giacché R5 è di valore minore di R4 e questo implica che quando l’uscita della porta logica sarà a livello logico basso per effetto del verso del D1, che conduce solo quando il potenziale sull’armatura positiva dell’elettrolitico C3 supera quello dell’uscita della U1b, lo stesso condensatore si scaricherà più alla svelta di quando si carica.

Quindi in questo secondo astabile avremo l’uscita a livello alto per un tempo maggiore di quello corrispondente allo zero logico; lo scopo è quello di ottenere dal LED, pilotato attraverso il transistor PNP T1 (che funziona da interruttore statico e conduce quando la sua base viene portata a zero logico attraverso la resistenza R6 e quindi nelle pause del segnale prodotto dalla U1b), brevi impulsi di luce in modo da diminuire il consumo di elettricità ed ottenere la massima durata della pila a bottone che alimenta l’intero circuito, così da ridurre la manutenzione del nostro dispositivo. Peraltro la resistenza R7 posta in serie al LED concorre a limitarne la corrente a un valore che è un compromesso tra la visibilità alle distanze caratteristiche dell’ambiente domestico e l’autonomia.

Insomma, con la rete D1-R5 riduciamo il duty-cycle del segnale prodotto dal secondo astabile ad un valore minore di quello che sarebbe avendo in retroazione una sola resistenza.

Visti i valori dei componenti coinvolti, la frequenza è praticamente determinata da C3 ed R4, perché la R5 determina un tempo di scarica dell’elettrolitico estremamente ridotto e ininfluente sulla temporizzazione complessiva.

Terminiamo l’analisi del circuito con la sezione di alimentazione, che fa capo alla pila CR2032, isolabile mediante l’interruttore SW1, che utilizzerete per spegnere il circuito quando non vi servirà: per esempio durante le lunghe assenze da casa, dove non potrete vederne la segnalazione.

Realizzazione pratica della foglia

Elenco Componenti:

R1, R4: 470 kohm
R2: Trimmer 10 kohm MV
R3: 100 kohm
R5: 3,3 kohm
R6, R8: 15 kohm
R7: 100 ohm
C1: 1 nF 100 VL poliestere
C2: 330 nF 100 VL poliestere
C3, C4,C5: 10 µF 63 VL elettrolitico (ø 5mm)
LD1: LED 5 mm giallo
D1, D2: Diodo 1N4148
U1: CD4093
T1: BC557
BT1: Porta batteria per CR2032
SW1: Interruttore

Varie
- Zoccolo 7+7
- Circuito stampato S1527

Bene, esaurita la spiegazione del circuito possiamo concentrarci sulla parte costruttiva, premettendo che abbiamo voluto progettare il tutto impiegando componenti a montaggio tradizionale, in modo da renderne accessibile la realizzazione anche a chi non è avvezzo al montaggio superficiale o non ha l’attrezzatura per saldare componentistica SMD.

Il circuito stampato richiesto per il sensore di umidità è del tipo a doppia faccia perché, a parte qualche pista interconnessa sui due lati tramite le vie, abbiamo voluto che gli elettrodi di rilevamento si estendessero su entrambe le facce.

Per realizzarlo dovete quindi scaricare i file relativi alle due tracce lato rame, quindi utilizzare il servizio PCBPRODUCTION per ottenere il PCB doppia faccia con fori metallizzati pronto da montare.

Procedere con i pochi componenti richiesti, rammentando che per le resistenze e i diodi al silicio dovete stagnare i terminali nelle piazzole corrispondenti da entrambe le facce dello stampato, in modo da realizzare le interconnessioni tra le piste corrispondenti e ottenere quindi le vie. Lo stesso vale per trimmer e transistor.

Ad ogni modo, iniziate il montaggio dagli elementi a basso profilo e quindi da resistenze e diodi, prestando attenzione a orientare i due 1N4148 come mostrato nel piano di montaggio pubblicato in queste pagine; procedete con lo zoccolo DIP a 7+7 piedini per l’integrato.

Montate anche il portapila a bottone, che è un componente per montaggio superficiale, nel senso che i suoi terminali vanno stagnati direttamente dal lato componenti, però non richiede null’altro che il saldatore ed è talmente grande da poter essere manipolato da chiunque senza difficoltà.

Procedete con il montaggio inserendo e saldando il deviatore miniatura a slitta nei rispettivi fori, dopo averlo introdotto completamente fino a farlo appoggiare bene al circuito stampato, poi montate il transistor (orientandolo con il lato piatto rivolto all’esterno della, basetta, ossia verso le due punte-sonda), i condensatori non polarizzati, il trimmer verticale miniatura e gli elettrolitici, questi ultimi orientati come indicato nel piano di montaggio, giacché sono polarizzati.

Non vi resta che inserire e saldare il LED, mantenendolo inizialmente con il corpo ad un’altezza di 5÷6 mm dalla basetta, quindi saldandone i terminali e piegandoli in modo da adagiarli e farli appoggiare sulla superficie dello stesso PCB.

Infine inserite l’integrato nel rispettivo zoccolo orientandolo con la tacca rivolta al trimmer e badando di non piegare alcuno dei terminali sotto al corpo, poi terminate il montaggio inserendo la pila a bottone nel proprio portapila (ricordate che il polo positivo, che è la faccia liscia della pila, va rivolto verso l’alto) dopo aver verificato che l’interruttore a slitta sia in posizione di spento (levetta spostata verso il LED).