Dado Elettronico a LED: il Circuito Perfetto per Appassionati di Elettronica Hobbistica

Mostra un numero pseudo-casuale su 7 LED che lampeggiano rallentando sempre più come un dado che rotola sul tavolo da gioco, fino a fermarsi.

Uno dei classici progetti dell’elettronica hobbistica è sicuramente il dado da gioco, ossia un circuito che mediante un display a LED a 7 segmenti o una serie di diodi luminosi mostra un numero sufficientemente casuale a seguito di ogni pressione di un pulsante; in tal modo va a simulare quello che è il comportamento del classico dado utilizzato per sorteggiare numeri in giochi di società e non solo.

Il circuito che proponiamo si basa sulla visualizzazione pseudo-casuale dello stato di uscita di un contatore decimale, tramite un gruppo di LED disposti a formare la faccia di un classico dado da gioco, con sette punti; la visualizzazione pseudo-casuale deriva dal fatto che il contatore (un comune CMOS di tipo CD4017) riceve il clock da un multivibratore astabile che viene attivato per un tempo dipendente dalla carica di un condensatore, così da generare un segnale rettangolare la cui frequenza è massima inizialmente e decresce fino all’arresto del multivibratore stesso.

La casualità è ottenuta da numerose variabili, tra cui la durata di pressione del pulsante che può essere scelta da noi, l’esatto istante in cui il relativo contatto si chiude, la tolleranza del condensatore e della rete di temporizzazione del clock e via di seguito.

A rendere ancora più suggestivo il progetto, c’è la particolare visualizzazione che fa avvicendare le combinazioni di LED illuminati con una velocità decrescente, esattamente come un dado lanciato rotola sempre più lentamente, fino a fermarsi con una faccia rivolta verso l’alto.

 

Schema elettrico del dado elettronico

Ma andiamo a vedere com’è fatto e in che modo funziona il circuito che realizza il dado elettronico, appoggiandoci allo schema elettrico proposto in queste pagine, dal quale possiamo desumere la struttura dell’insieme: i LED vengono pilotati dalle uscite del contatore decimale U2, opportunamente collegate mediante diodi che consentono una determinata visualizzazione, ed il contatore riceve il clock da un generatore di segnale rettangolare a frequenza variabile implementato con il popolare timer integrato NE555 (o equivalente) impiegato nella configurazione da multivibratore astabile, ma disattivato in condizioni normali (a transitorio esaurito) e reso operativo solamente dalla pressione del pulsante normalmente aperto S1, per un intervallo di tempo dipendente dai valori di C1 ed R1.

Analizziamo dunque in singoli stadi (comando manuale, generatore di clock a frequenza decrescente, contatore e visualizzatore a LED) singolarmente, iniziando dal comando di “lancio” del dado: questo è affidato al pulsante S1, il quale una volta premuto porta la tensione di alimentazione della linea +PWR sulla base del transistor Q1, il quale passa dalla condizione di interdizione alla saturazione e, mediante il partitore resistivo R2-R3, alimenta la rete di temporizzazione del monostabile U1.

Rilasciando il pulsante, il transistor NPN rimane polarizzato e in conduzione per un periodo che dipende dalla costante di tempo: T = C1xR1, ossia fin quando la tensione ai capi di questo bipolo non scende abbastanza da non consentire più la polarizzazione del Q1, ovvero da rendere la tensione tra base e massa inferiore alla soglia di funzionamento del bistabile, aumentata della minima Vbe del transistor (tipicamente 0,6V). A riguardo va notato che nella curva di scarica del condensatore, dopo un tempo pari a T la tensione tra le armature scende di 0,632 volte rispetto alla tensione iniziale (con S1 chiuso).

Per capire quale sia l’effetto del transitorio di accensione del Q1, bisogna analizzare il funzionamento del multivibratore astabile basato sul 555 (IC1), con la precisazione che questo stadio, seppure costantemente alimentato, genera il proprio segnale d’uscita solamente quando i piedini 7, 2, 6 sono posti ad un livello di tensione minimo.

Per comprendere il funzionamento dell’astabile è opportuno riepilogare come funziona il 555 e prima ancora vedere cosa c’è all’interno di questo integrato, cosa per la quale ci viene utile lo schema a blocchi proposto nella Fig. 1:

 

questo integrato contiene due comparatori aventi in comune un partitore di tensione a scala di resistenze che fornisce il riferimento di tensione ai due operazionali interni, ciascuno connesso come comparatore; all’operazionale superiore polarizza l’ingresso invertente, mentre a quello inferiore fornisce il riferimento al non-invertente.

I termini superiore e inferiore si riferiscono al potenziale di riferimento che ricevono dal partitore, quindi quello superiore riceve il potenziale più elevato. Dei suddetti comparatori, vengono resi accessibili dall’esterno gli ingressi non-invertente di quello superiore, corrispondente al piedino 6 (THR, ossia Threshold) e l’invertente di quello superiore, corrispondente al piedino 2 (TRIG, ossia Trigger).

Il nodo tra la prima e la seconda (considerate dall’alimentazione positiva) resistenza del partitore di riferimento dei due comparatori (alimentato, come il resto degli stadi interni al 555, dal piedino 8) viene portato all’esterno tramite il piedino 5 (CONT, Control Voltage) il che permette, quando occorre, di alterare le tensioni di riferimento dei comparatori, così da controllare con una tensione esterna la frequenza di lavoro nella configurazione astabile (operando lo shift di frequenza come si fa negli oscillatori controllati in tensione) oppure la durata degli impulsi in quella da timer (monostabile).

Nel nostro circuito il piedino 5 non lo abbiamo utilizzato. Notate che essendo le resistenze del partitore di uguale valore, il comparatore superiore ha l’ingresso invertente polarizzato con 2/3 della tensione che alimenta il piedino 8 del 555 e quello inferiore ha il non-invertente a 1/3 della stessa Vcc.

La configurazione qui adottata per il 555 è decisamente diversa da quella canonica suggerita dal costruttore dell’integrato nel datasheet e serve, come accennato, per ottenere una frequenza descrescente e l’arresto ad una certa soglia di tensione, la quale, come vedremo tra breve, dipende dallo stato dei comparatori interni all’integrato.

Le uscite dei comparatori comandano una il RESET (quella del comparatore superiore) e l’altra il SET (comparatore inferiore) di un flip-flop di tipo RS, che è un circuito logico la cui uscita diretta (Q) va a livello alto (corrispondente a circa il potenziale del piedino 8) quando il SET è a livello alto, ovvero assume lo zero logico se SET è posto a circa zero volt; l’uscita presenta un comportamento esattamente opposto quando ad essere eccitato è l’ingresso RESET, il quale, posto a livello logico alto, resetta il flip-flop, intendendo con ciò che ne azzera lo stato di Q.

Il flip-flop ha anche un’uscita complementata (/Q), la cui condizione logica è sempre l’inverso di quella Q; nel 555 è collegata, tramite una resistenza, alla base di un transistor NPN configurato ad open collector il cui emettitore è connesso a massa e il collettore al piedino DIS (7, ossia Discharge).

Tale transistor può commutare una corrente dell’ordine dei 200 mA, in modo sink (ad assorbimento di corrente da parte del suo collettore).

L’uscita diretta, Q, è invece collegata al piedino OUT (3) dell’integrato attraverso un buffer interno push-pull, capace di erogare un massimo di 200 mA. Il negativo di alimentazione, vale a dire la massa di riferimento del 555 corrisponde al piedino 1, mentre al 4 è connesso il reset a logica invertita del flip-flop: questo piedino permette di resettare forzatamente il circuito dall’esterno applicando un livello logico basso.

Ciò detto, andiamo a vedere come il nostro timer 555 è stato utilizzato nel circuito: la configurazione scelta è quella astabile, ma è un po’ particolare perché nel nostro caso non c’è alcuna resistenza collegata tra i pin 4-8 e il 7 ed i pin 2 e 6 sono collegati direttamente al 7, oltre che terminanti a massa da un condensatore elettrolitico, che nello schema è siglato C2.

Vediamo dunque come funziona questo circuito, riferendoci allo schema interno proposto nella Fig. 1 e supponendo che il transistor Q1 sia interdetto: in questa condizione possiamo ritenere il condensatore C2 scarico e quindi la differenza di potenziale tra i suoi capi è nulla.

Sia il trigger (piedino 2) che il Threshold (6) si trovano a zero volt e quindi l’uscita del comparatore inferiore è a livello alto; ciò determina il livello logico alto sull’ingresso SET del flip-flop e lo stesso sull’uscita Q (la /Q si porta a zero logico lasciando interdetto il transistor collegato al Discharge e quindi il condensatore libero di caricarsi).

L’uscita del comparatore superiore è a livello basso, perché il piedino 6 (input non-invertente) è anch’esso a zero volt; il Reset del comparatore è inattivo.

Questa condizione si mantiene fin quando Q1 è interdetto e l’uscita del 555 rimane a livello logico alto.

Quando viene premuto S1 e per un certo intervallo di tempo conseguente il rilascio, questa situazione viene sbloccata: con il pulsante premuto, l’emettitore del Q1 fornisce al partitore R2-R3 un potenziale pari a quello di +PWR diminuito di 0,6V; ipotizzando un’alimentazione di 5 volt, il partitore riceve circa 4,4V e quindi applica all’elettrolitico C3 inizialmente una tensione pari a: Vc = 4,4V x 470Kohm /480Kohm, che praticamente è 4,4V, dato che R3 ha un valore resistivo 47 volte quello di R2 (tale resistore ha il solo scopo di limitare il picco di corrente di emettitore del Q1 quando il pulsante viene premuto e quando il pin 7 del 555 commuta a zero logico).

La carica del C2 è estremamente rapida e attiva l’astabile, perché infatti ora la tensione sui piedini 2 e 6 supera le tensioni di soglia del comparatore inferiore e di quello superiore; per effetto di ciò, l’uscita del comparatore inferiore si porta a zero logico e pone allo stesso livello il SET del flip-flop, mentre quella del comparatore superiore attiva il reset dello stesso, la cui uscita commuta a zero logico, ma essendo complementata si porta ad 1 (passa a zero il piedino 3) mandando in saturazione il transistor interno collegato al piedino 7, il quale causa la scarica praticamente immediata del C2.

A questo punto l’uscita del comparatore inferiore torna a livello logico alto e setta il flip-flop, che riporta Q a 1 logico e /Q a zero.

In questa condizione il condensatore C3 prende a caricarsi attraverso R2 perché il piedino 7 torna aperto.

La carica avviene nuovamente fino a 2/3 della tensione applicata tra i piedini 1 e 8 del 555, quindi il ciclo ricomincia, andando avanti a ripetersi finché, dopo il rilascio del pulsante S1, la tensione presente sull’emettitore del Q1 non scende al disotto del minimo indispensabile per far commutare anche il comparatore superiore.

Il tempo dipende, come già esposto, dalla costante di tempo di C1 e indicativamente si può dire che è dell’ordine di 4 secondi.

Durante il calo della tensione ai capi del C1 e di riflesso agli estremi del partitore R2-R3, la frequenza di lavoro dell’U1 cala perché se è vero che la scarica del condensatore C2 è quasi immediata a prescindere dalla tensione di lavoro, la ricarica dipende dal tempo che la tensione applicata ai piedini 2 e 6 impiega a superare la soglia di commutazione del comparatore superiore del 555 e siccome i riferimenti interni dei comparatori sono fissi e dipendono dal potenziale applicato al piedino 8 mentre il partitore R2-R3 viene alimentato da una tensione decrescente, a parità di capacità dell’elettrolitico si hanno dei tempi di commutazione via-via più lunghi.

Per effetto di ciò abbiamo l’uscita OUT dell’integrato che si mantiene a livello alto per periodi sempre più lunghi e quindi impulsi a frequenza progressivamente decrescente, fino al blocco del piedino 3 sul livello logico alto.

Questo significa l’arresto del clock per il contatore decimale U2 e al mancare del segnale di clock il CD4017 mantiene attiva l’uscita corrispondente all’ultimo valore contato.

Visto che siamo passati al CD4017, vediamo come funziona e in che modo pilota il visualizzatore a sette LED: tale integrato è un decade counter e dispone di 10 uscite, di peso crescente da 1 a 10, che sono nell’ordine Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8, Q9, Q0.

Partendo dall’istante del reset (che può essere forzato o all’accensione) ogni volta che viene rilevato uno stato logico alto (ovvero un passaggio 0/1 logico) da parte dell’ingresso di clock (CLK) lo stato del contatore incrementa di 1, nel senso che si porta a livello alto l’uscita di peso decimale immediatamente successivo a quello dell’uscita attualmente attiva.

Quindi, partendo dalla condizione di contatore resettato, inizialmente è a livello alto l’uscita Q0; un primo impulso di clock porta ad 1 logico l’uscita Q1, un secondo pone a livello alto la Q2 e via di seguito, fin quando non si conta il decimo impulso, che attiva la Q0, oltre il quale il conteggio riprende da 1 (grafico in Fig. 2).

 

Le uscite assumono lo stato alto una sola per volta.

Per come abbiamo collegato il circuito, quando viene contato il settimo impulso, lo stato alto viene riportato sul piedino di reset (RST) e il contatore viene azzerato; pertanto il CD4017 conta fino a sette.

Per il controllo dei LED, che sono stati divisi in quattro gruppi (tre da due diodi ed uno da un solo LED…) sono state combinate le uscite del contatore Q0, Q2, Q3, Q4 e Q5, le quali pilotano ciascuna più di un LED attraverso dei diodi che funzionano da porta logica OR, consentendo di pilotare i gruppi con più di un’uscita evitando però che lo stato logico su un gruppo cortocircuiti altre uscite.

Per esempio il LED1 può essere acceso dallo stato logico su Q0, Q2 ed anche Q5, quindi si illumina in corrispondenza del primo, terzo e quinto impulso.

La coppia LED2-LED3 si illumina in tutti i casi eccetto quando è attiva Q5 (perché D4 ne collega i catodi al pin 1 dell’U2) mentre LED4 e LED5 si accendono in concomitanza con il livello logico alto su almeno una delle uscite Q0, Q3 e Q4.

Infine, la coppia LED6-LED7 si illumina quando è a livello logico la sola uscita Q4.

Questa soluzione consente di mantenere accesi più LED e quindi di comporre un numero di pallini luminosi superiore ad 1, come invece avverrebbe se ciascun gruppo venisse pilotato esclusivamente da un’uscita, perché il CD4017, lo ricordiamo, attiva una sola uscita alla volta.

Simuliamo, insomma, quello che il contatore farebbe componendo numeri su un display a segmenti.

Ogni LED o coppia di LED è dotata di una resistenza in serie per limitarne la corrente diretta: R4 per LED1, R5 per LED2-LED3, R6 per LED4-LED5 ed R7 per LED6-LED7.

Notate inoltre che la sola coppia LED2-LED3 ha il catodo rivolto verso l’uscita corrispondente del CD4017 e pertanto è attiva sempre, eccetto quando ad essere a livello alto è l’uscita Q5.

Il circuito del dado elettronico si alimenta tra i contatti + e – PWR, cui va applicata una tensione continua di valore compreso fra 3 e 6 volt, prelevata da una fonte in grado di erogare almeno 100 mA.

Realizzazione pratica

Bene, esplicata la teoria, passiamo adesso alla parte pratica del progetto: il nostro gadget si realizza molto semplicemente.

Dovete iniziare il montaggio dei componenti, che sono tutti a foro passante (THT=Through Hole Technology) e quindi di facile gestione da parte anche di chi ha poca esperienza e attrezzatura essenziale: bastano un saldatore a stagno e del filo di lega saldante, oltre a un tronchesino per elettronica per tagliare l’eccedenza dei reofori. Iniziate il montaggio con le resistenze, i diodi al silicio (1N4148, che vanno tutti orientati con il catodo opposto al CD4017) il pulsante e i condensatori, prestando attenzione alla polarità dei due elettrolitici, quindi procedete con lo zoccolo dip 4+4 contatti per il 555 e con quello a 8+8 poli per il CD4017 (in tal caso inserirete gli integrati una volta saldati tutti gli altri componenti).

Passate quindi ai sette LED (per il corretto orientamento ricordate che il catodo è l’elettrodo dal lato smussato del contenitore) e al pin-strip a 2 poli per l’alimentazione (PWR). Per l’orientamento dei componenti polarizzati fate riferimento al disegno di montaggio visibile in queste pagine.

Una volta completato il montaggio e verifica l’esattezza, il vostro dado elettronico è pronto per il gioco: inseritelo in un piccolo contenitore in plastica dal quale lasciar uscire il pulsante e la cima dei sette LED e siete pronti a utilizzarlo.