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Temporizzatore universale con uscita a relé attivabile sia in modo ciclico, sia a singolo impulso, con durata degli intervalli ON e OFF impostabile fra 1 secondo e 60 ore.
Quando dobbiamo comandare un utilizzatore elettrico a tempo, possiamo fare ricorso a due tipi di dispositivo temporizzatore: quello one-shot e quello ciclico; la differenza tra i due è nel fatto che il primo attiva per un certo periodo e poi rimette il carico a riposo, mentre il secondo può ripetere periodicamente la sequenza di attivazione, ovvero accendere l’utilizzatore per un periodo ben preciso intervallato da una pausa, anch’essa ben definita.
Il tutto all’infinito, ovvero dall’accensione allo spegnimento o dalla ricezione del comando di avvio a quando arriva l’eventuale comando di arresto della sequenza.
Sovente, in queste pagine avete trovato dei progetti di timer di vario genere, ma praticamente tutti sono stati del tipo a singolo impulso (one-shot) o semplice temporizzazione, ovvero dispositivi in grado di accendere il carico una sola volta, partendo con l’attivazione o con una pausa, dietro comando di un livello di tensione o di un pulsante.
In questo post vogliamo ora proporvi un timer bimodale, capace, cioè, di lavorare in due modi: nel primo comanda un utilizzatore per un certo intervallo, subito o dopo una pausa, mentre nel secondo attiva ciclicamente l’utilizzatore.
Il comando avviene mediante un relé di cui il circuito è dotato, che può alimentare l’utilizzatore o togliergli tensione, in base al collegamento prescelto e alla configurazione circuitale.
Dunque, quello qui proposto è un timer universale con ampia gamma di temporizzazione, nel quale, per ciascuna modalità, possiamo definire distintamente il tempo di attivazione e quello di pausa, da 1 secondo a 60 ore; l’impostazione si effettua assai facilmente mediante due trimmer (RV1 permette di definire la durata della pausa ed RV2 quella dell’attivazione) e due terne di jumper. Il circuito diventa operativo non appena alimentato, quindi non necessita di comando esterno.
Nella modalità one-shot, si può optare per due funzioni: nella prima il timer parte con l’utilizzatore attivo e si spegne una volta esaurito il tempo di attivazione impostato; nella seconda, il circuito osserva la pausa impostata e poi attiva l’utilizzatore, che si spegne dopo lo scadere del tempo definito per l’attivazione.
Nel modo ciclico, il timer, da quando viene acceso a quando è privato dell’alimentazione, alterna ciclicamente periodi di attivazione e di riposo del relé d’uscita; anche in questa modalità è possibile stabilire se all’avvio della sequenza il relé debba partire attivato o essere a riposo.
I modi di funzionamento si impostano con due semplici jumper.
Schema elettrico del Timer
Detto ciò, diamo uno sguardo al circuito riferendoci allo schema elettrico che lo descrive: tutto è reso molto semplice dall’adozione di un microcontrollore Microchip PIC16F676, incapsulato in case dip a 7+7 piedini e basato su architettura RISC ad 8 bit con memoria di programma di tipo Flash.
Per come è programmato, all’accensione, dopo il power-on-reset, il micro inizializza i propri I/O impostando RA1 ed RA0 come input assegnati all’A/D converter ed RA2 come output dedicato al controllo del relé.
Le linee RA4 ed RA5 vengono inizializzate come ingressi con pull-up interno dedicati alla lettura dei jumper di impostazione del modo di funzionamento, mentre gli I/O del registro RC sono inizializzati tutti come input senza pull-up, che vengono impiegati dal firmware per leggere i jumper con cui, in fase di impostazione del tempo, si definisce se il rispettivo trimmer sta impostando ore, minuti o secondi.
Per la precisione, i jumper SK3, SK5, SK7 riguardano la definizione di, rispettivamente, secondi, minuti e ore della pausa (associati al trimmer RV1) mentre SK4, SK6, SK8 fanno impostare ad RV2 rispettivamente i secondi, i minuti e le ore di durata dell’impulso.
Il pull-up delle linee RC0, RC1, RC2, RC3, RC4, RC5 è affidato a una rete resistiva 8×1 (otto resistori con terminale in comune) perché non può essere implementato internamente nel registro RC.
Completata l’inizializzazione, gira il main-program, che prevede la verifica ciclica dello stato delle linee di input RA1, RA0, RC0, RC1, RC2, RC3, RC4, RC5; più esattamente, il firmware verifica l’impostazione dei jumper SK9 e dell’SK10 per decidere quale modo di temporizzazione eseguire.
Se SK9 viene trovato aperto, il timer funziona a singolo impulso, ossia esegue un solo ciclo, mentre se il jumper è chiuso la temporizzazione si ripete ciclicamente fin quando il circuito non viene privato dell’alimentazione.
Quanto all’SK10, se è aperto il timer parte dalla pausa e poi attiva il relé, mentre se SK10 è chiuso si parte con il ciclo di attivazione e poi segue la pausa.
In ogni istante è possibile modificare i tempi assegnati a pausa ed impulso, utilizzando a proposito il trimmer corrispondente; a tal proposito va detto che per limitare il numero di trimmer e l’ingombro sul circuito stampato, nel temporizzatore si è fatto ricorso ad uno stratagemma: ciascuno dei trimmer imposta ore, minuti e secondi del periodo cui è abbinato, ma uno solo alla volta.
In pratica, il trimmer definisce il tempo corrispondente, di volta in volta, al jumper che risulta chiuso; la corrispondenza è RV1 con SK3, SK5, SK7 ed RV2 con SK4, SK6, SK8. Notate che ciascun trimmer regola in senso orario, intendendo con ciò che il cursore tutto a sinistra corrisponde al minimo tempo mentre tutto ruotato in senso orario imposta il massimo.
Per impostare la durata della pausa usiamo RV1: chiudendo SK3 la posizione assunta dal cursore definisce i secondi, facendo con altrettanto con SK5 chiuso impostiamo i minuti e per definire le ore chiudiamo SK7. Il cursore tutto ruotato in senso antiorario corrisponde al minimo (1) mentre quando è all’estremo opposto coincide con il massimo (60); metà corsa vale 30 secondi, minuti, ore, 1/3 di corsa dall’estremo di sinistra corrisponde a 20 secondi, minuti o ore, e due terzi di corsa in senso orario impostano 40 secondi, minuti, ore.
Ad esempio, se vogliamo impostare una durata della pausa di 1 ora, 30 minuti e 30 secondi dobbiamo chiudere SK7 e ruotare il cursore del trimmer tutto in senso antiorario, quindi aprire SK7 e chiudere SK5, mettendo a metà corsa il cursore dell’RV1, poi aprire SK5, chiudere SK7 e ruotare di nuovo a metà corsa il cursore del trimmer. Fatto ciò bisogna rimuovere il ponticello anche da SK3 e lasciare SK3, SK5 ed SK7 aperti.
L’impostazione della durata della pausa è analoga: si chiude SK4 e si ruota il cursore dell’RV2 nella posizione corrispondente ai secondi desiderati, quindi si apre SK4 e si chiude SK6 posizionando il cursore per i minuti, infine si apre SK6 e si chiude SK8 ruotando il cursore nella posizione relativa alle ore desiderate. Per completare l’impostazione si apre SK8 e si lasciano aperti, chiaramente, anche SK4 ed SK6.
La figura nella pagina seguente esemplifica l’impostazione dei tempi di pausa ed impulso e dei modi di funzionamento del circuito.
Dopo aver modificato le impostazioni dei tempi, per rendere effettivamente utilizzabili le modifiche è conveniente sconnettere il circuito dall’alimentazione, attendere una ventina di secondi, quindi rialimentarlo.
Chiudiamo la descrizione dello schema elettrico con lo stadio di uscita e il blocco alimentatore: come detto, l’uscita del circuito è a relé, ovvero impiega un relé a singolo scambio con bobina a 12 volt, pilotato dalla linea RA2 del microcontrollore mediante il transistor T1, il quale funge da amplificatore di corrente o, se preferite, da interruttore statico.
Ogni volta che RY1 deve chiudere il proprio scambio tra C ed NO, il piedino 11 del PIC16F676 si porta ad 1 logico polarizzando la base del transistor NPN mediante la resistenza R2, la quale ha la duplice funzione di limitatore della corrente di base del T1 e della corrente diretta del LED LD1, il quale nel circuito ci serve ad indicare visivamente quando il relé è attivato.
Notate la resistenza R1, indispensabile per poter mantenere elevato il potenziale di base del transistor quanto basta a consentire l’accensione del LED, il quale, essendo rosso, richiede una tensione anodo-catodo di almeno 1,8 volt; se l’emettitore del T1 finisse direttamente a massa, l’NPN andrebbe comunque in conduzione ma, siccome la tensione Vbe di un transistor al silicio è tipicamente di 0,6÷0,7 volt, la caduta non basterebbe ad accendere il LED.
Inserendo R1, la somma della Vbe del T1 e della caduta di tensione sulla R1 determinano gli 1,8 volt richiesti dall’LD1 per illuminarsi. Quando la base viene polarizzata, il collettore del T1 è sede di una corrente abbastanza elevata da eccitare la bobina del relé e di conseguenza far scattare l’equipaggio mobile; invece quando la linea RA2 del microcontrollore torna a zero logico, T1 è interdetto, LD1 spento e il relé a riposo.
Notate il diodo D2, che è stato inserito per proteggere la giunzione base-collettore del transistor quando questo va in interdizione; infatti in questa situazione la bobina del relé, come tutte le induttanze, reagisce alla brusca interruzione della corrente generando un’extratensione di polarità opposta a quella ricevuta fino all’istante precedente, che se non soppressa danneggerebbe la giunzione base-collettore del T1.
Concludiamo l’analisi dello schema elettrico descrivendo il blocco alimentatore; il circuito può essere alimentato a tensione indifferentemente continua o alternata: nel primo caso bisogna applicare 12÷14 Vcc prelevati da un alimentatore anche non stabilizzato o da una batteria, mentre nel secondo bisogna fornire al massimo 11 Vca efficaci.
Usando l’alimentazione continua, il diodo D1 protegge il circuito dall’inversione di polarità, mentre nel caso si opti per l’alternata, lo stesso diodo raddrizza (il raddrizzamento è a singola semionda) la tensione eliminando le semionde con polarità negativa e l’elettrolitico C1 filtra la componente pulsante che ne deriva, rendendola continua.
In tutti i casi, la componente ai capi dei condensatori C1 e C2 (quest’ultimo serve a filtrare eventuali picchi di tensione e disturbi impulsivi introdottisi sulla linea di alimentazione) entra nel regolatore integrato VR1 (un comune 7805) che ne ricava 5 volt perfettamente stabilizzati con i quali fa funzionare la logica, quindi il microcontrollore IC1.
Notate che si può alimentare il circuito anche con 24 Vcc: in questo caso, tuttavia, occorre impiegare un relé con bobina compatibile con tale tensione.
Piano di montaggio
Elenco componenti
R1: 33 ohm R2: 330 ohm RA1: Rete resistiva 8x47kohm + C RV1: Trimmer 4,7 kohm MO RV2: Trimmer 4,7 kohm MO C1: 220 µF 16 VL elettrolitico C2: 100 nF multistrato C3: 100 nF multistrato C4: 100 nF multistrato C5: 100 nF multistrato C6: 100 nF multistrato C7: 100 nF multistrato D1: 1N4007 D2: 1N4007 IC1: PIC16F676-I/P (VMK188) VR1: 7805 LD1: LED 3 mm rosso T1: BD139 RY1: Relé 12V VR17V121C Varie: - Morsetto 2 poli - Morsetto 3 poli - Zoccolo 7+7 - Pin strip maschio 2 poli (8 pz.) - Jumper (4 pz.) - Circuito stampato
Le impostazioni
Ecco come si configura il timer per le varie modalità di funzionamento e in che modo si impostano le durate di impulso e pausa: SK9 imposta la modalità single-shot o ciclica, mentre con SK10 è possibile decidere se il timer deve partire con il relé eccitato o a riposo. I trimmer impostano ore, minuti e secondi (uno dell’impulso di attivazione del relé e l’altro della pausa di riposo) in base a qual è al momento il jumper chiuso.
Collegamenti
Cablaggio dell’impianto per accendere e spegnere a tempo una o più lampadine: ad esempio quelle di un atrio o di una scala.
Realizzazione pratica
La basetta è pronta ad ospitare i componenti, che monterete a partire da quelli a più basso profilo (resistenze, zoccolo per il microcontrollore e diodi al silicio) per poi procedere con i trimmer, la rete resistiva (per l’orientamento fate attenzione al punto che indica il piedino 1) i condensatori (prima quelli non polarizzati) ed i jumper; questi ultimi dovete realizzarli con dei gruppi di pin-strip a passo 2,54 mm inseriti e saldati nei rispettivi fori, mentre per chiuderli durante le impostazioni vi basta applicare alle punte i tradizionali “cap” a passo 2,54 mm.
Proseguite il montaggio inserendo il LED e il transistor BD139, quindi il regolatore integrato 7805, che va disposto con la parte metallica rivolta a LD1 (lo smusso di quest’ultimo deve invece guardare verso i jumper SK9 ed SK10).
Per ultimo montate il relé; non dimenticate di realizzare il ponte vicino al T1, utilizzando allo scopo uno spezzone tagliato dal terminale di una resistenza o condensatore.
Per le connessioni con l’utilizzatore e l’alimentazione, montate delle morsettiere da c.s. a passo 5 mm nelle piazzole corrispondenti. Per il corretto posizionamento di tutti i componenti fate riferimento al piano di montaggio che vedete in queste pagine.
Terminate le saldature e accertato che sia tutto a posto, potete inserire nel rispettivo zoccolo il microcontrollore già programmato con l’apposito software.
A questo punto siete pronti per installare il vostro timer e impostarlo perché esegua le temporizzazioni desiderate.
Ricordate che il circuito va alimentato con una tensione compresa tra 12 e 24 Vcc e richiede una corrente di circa 100 mA; con il relé attuale, l’uscita può commutare utilizzatori che assorbono fino a 16 A su una tensione di 230 Vca.
Nell’installare il temporizzatore in impianti sottoposti alla tensione di rete, ricordiamo di prestare la massima attenzione perché un errore può costare guasti o addirittura la folgorazione; pertanto lavorate sempre dopo aver tolto l’alimentazione all’impianto (agite sull’apposito sezionatore di rete nel quadro elettrico del locale) e ricontrollate più volte le connessioni una volta fatto il cablaggio.
Curate particolarmente l’isolamento del circuito stampato, le cui piste, una volta in tensione, saranno sottoposte ai 230 Vca; il nostro consiglio è di racchiudere il timer in un contenitore plastico che avrete avuto cura di forare per rendere accessibili i trimmer e per far entrare i cavi di alimentazione ed uscire quelli diretti al carico.
Può anche essere sufficiente racchiudere il timer in una scatola ad incasso standard tipo Living bTicino, Ave Sistema 45, Vimar Idea e simili, perché le dimensioni del circuito stampato lo permettono; completato il cablaggio, potete montare la placca di sostegno e quella esterna, del tipo e del colore che vi aggradano.
