Comandiamo luci e altri dispositivi elettrici con un semplice battito di mani: in modalità bistabile, un battito attiva il carico e un altro lo disattiva. È inoltre possibile impostare un comando a tempo.
In questi anni in cui la Domotica pervade gli ambienti domestici estendendosi in generale a tutti i luoghi chiusi frequentati dall’uomo, pensare di strabiliare il pubblico o i propri ospiti con un automatismo che comandi una lampadina, una tapparella o l’accensione dell’impianto di riproduzione sonora, sarebbe anacronistico e oltretutto illusorio; infatti esistono ormai impianti domotici ultra-sofisticati, interfacciati ad Internet o tramite Bluetooth e WiFi, smartphone ed altra appendice dell’uomo del terzo millennio, che fanno questo senza colpo ferire e con la massima naturalezza.
Potrebbe invece stupire, soprattutto coloro che dell’Elettronica percepiscono e conoscono soltanto l’aspetto della programmazione (che poi tanto Elettronica non è, in quanto è più Informatica…) dimostrare a chi entra in casa nostra che è possibile accendere le luci o fare quanto appena accennato, con un semplice circuito a logica cablata e senza avere nessuno sofisticato, fantasmagorico e costosissimo impianto domotico “connesso” e capace di sopravvivere anche se la rete andasse giù.
Un battito di mani entrando in casa e la luce si accende; un altro passando dall’atrio al salone e la luce si spegne. Tutto molto semplice, tant’è che con i componenti tradizionali e senza scrivere una riga di codice, questo già si faceva ai tempi dei primi film dedicati all’Agente 007.
Ecco perché, per allinearci a quella “corrente” di progettisti e produttori di integrati che vogliono rendere accessibili funzioni complesse con un approccio “codeless” vi proponiamo la realizzazione di un Clap Switch, ossia un interruttore capace di riconoscere il rumore del battito delle mani (ed anche quelli simili per spettro di frequenza) ed attivare in modo astabile (temporizzato) o bistabile un dispositivo alimentato elettricamente; il tutto con pochi, economici e comuni componenti elettronici.
Scoprirete di cosa si tratta analizzando con noi lo schema elettrico proposto in queste pagine.
Schema elettrico del Clap Switch
Il circuito dell’interruttore a battito di mani è sostanzialmente composto da tre blocchi: un rilevatore acustico basato su un microfono e un transistor, un multivibratore monostabile che serve, quando triggerato dal rilevatore acustico, a generare impulsi di durata ben definita ed un flip-flop, che consente di implementare la modalità bistabile, quando desiderata.
All’uscita del flip-flop si trova l’elemento attuatore elettromeccanico che provvederà a commutare la corrente nel carico e che, nel caso specifico, è un relé tradizionale alimentato da un transistor.
Ma andiamo con ordine e analizziamo individualmente i singoli stadi, correlandone il funzionamento con quelli via-via seguenti.
Il rilevatore acustico è composto da una capsula microfonica electret condenser di tipo attivo (con jFET all’uscita) che ci serve a captare suoni e rumori presenti nell’ambiente e che, nello specifico, capterà il rumore del battito di mani o di due tavolette o di oggetti rigidi e semi-rigidi che si urtano; il segnale acustico captato dalla membrana del microfono MIC1 viene convertito in una tensione variabile che, amplificata dal FET interno alla capsula, si presenta sul polo positivo del trasduttore, ma sovrapposta alla componente continua dovuta alla resistenza di polarizzazione R1, necessaria a mantenere il punto di lavoro del FET in una zona che consenta di ottenere in uscita oscillazioni simmetriche quanto più possibile.
A sopprimere la componente continua e lasciar transitare il solo segnale variabile (quello audio, in definitiva…) provvede il condensatore elettrolitico C3, posto tra il polo positivo della capsula microfonica e la base del transistor T1; questo NPN viene utilizzato come amplificatore di tensione in classe C, cioè amplifica solamente quando il livello della tensione tra base ed emettitore supera gli 0,6V. Per effetto di ciò, l’amplificazione non sarà lineare, ma del resto questo non ci interessa, in quanto T1 serve per elevare ulteriormente il livello del segnale trasdotto da MIC1 affinché raggiunga il nostro scopo, che è quello di ottenere impulsi abbastanza ampi da essere sfruttati per triggerare lo stadio temporizzatore facente capo all’integrato 555 (U1) che trovate nella classica configurazione da multivibratore monostabile suggerita dal costruttore.
Quindi abbiamo il RESET disattivato e posto fisso sulla linea di alimentazione ed abbiamo il trigger (piedino 2) dotato di resistore di pull-up affinché rimanga normalmente a livello alto (lasciando il timer a riposo) e venga eccitato dal collettore del transistor T1 quando il suo potenziale scende al disotto di 1/3 di quello di alimentazione dell’U1 (questo lo esporremo tra breve).
Vediamo dunque come funziona il 555 partendo dall’accensione e supponendo C1 inizialmente scarico, ossia avente una tensione di 0 volt; per comodità riportiamo in Fig. 1 lo schema a blocchi interno del timer 555, in modo che vi sia più chiara la descrizione.
La condizione iniziale del circuito prevede il piedino 6 (e con esso il piedino 7) a circa zero volt, mentre il piedino 2 si trova a livello alto, grazie al resistore di pull-up R2 collegato al collettore del transistor NPN.
Di conseguenza, l’uscita del comparatore inferiore è a livello basso, e anche quella del comparatore superiore risulta bassa. Questo determina un livello logico basso sia all’ingresso SET sia all’ingresso RESET del flip-flop interno al 555.
L’uscita Q è quindi bassa, mentre l’uscita /Q assume un livello logico alto, mandando in saturazione il transistor collegato al pin DISCH e mantenendo il condensatore scarico: ciò conferma la condizione iniziale ipotizzata.
Fig. 1 Schema a blocchi del 555
La situazione rimane questa fin quando non viene portato il piedino 2 a un potenziale inferiore ad 1/3 di quello di alimentazione (questo perché l’ingresso invertente del comparatore inferiore è polarizzato con 1/3 del potenziale applicato al piedino 8), il che si traduce nel forzare a livello alto l’uscita del comparatore inferiore e con essa il SET del flip-flop.
Per effetto di ciò, il SET del flip-flop riceve un impulso a livello alto e l’uscita va a zero logico (così fa anche la /Q) mentre il piedino 3 del 555 passa anch’esso a livello alto.
A questo punto C1 inizia a caricarsi attraverso la corrente che fluisce nella serie R1-R8 (il pin 7 non assorbe corrente perché il relativo transistor è interdetto), fin quando supera la tensione di soglia del comparatore superiore, che ha un valore di poco superiore ai 2/3 della tensione di alimentazione del 555, ovvero alla soglia di commutazione del comparatore stesso.
Quando ciò accade, l’uscita del comparatore superiore si porta a livello logico alto e resetta il flip-flop, la cui uscita diretta passa a zero logico mentre la /Q si porta a livello alto, mandando in saturazione il transistor interno collegato al piedino 7, il quale scarica il condensatore elettrolitico C1 e pone fine alla temporizzazione.
Se nel frattempo nessun suono viene più rilevato, il circuito rimane come nelle condizioni iniziali, in attesa che il microfono capti un nuovo rumore abbastanza intenso da far scendere il collettore del transistor T1 ad un potenziale inferiore a quello della soglia di trigger, altrimenti ricomincia il ciclo descritto.
Ciò detto, andiamo a vedere quale è la durata teorica dell’impulso d’uscita a livello alto e quindi dell’eccitazione del relé si determina come:
T = 1,1 x (R3+R7) x C1
Essendo R7 un trimmer, l’intervallo e quindi la durata dell’impulso uscente dal piedino 3 può essere variato a piacimento entro certi limiti, che sono:
Tmin = 1,1 x 10kohm x 100 µF = 1,1 sec.
se R7 è tutto cortocircuitato, ovvero:
Tmax = 1,1 x 1,01Mohm x 100 µF = 110 sec.
con il trimmer completamente inserito.
In realtà, questa è la formula suggerita dal costruttore senza alcuna correzione delle tensioni fornite dal partitore multiplo interno al 555; invece nel nostro caso la tensione dell’ingresso invertente del comparatore viene alterata in un caso, ossia nel funzionamento monostabile (per l’esattezza, i tempi sono allungati).
E qui entra in gioco il doppio switch SW1, del quale una sezione agisce sul pin 5 (il Control Voltage) del timer 555 e l’altra preleva il segnale d’uscita dall’U1 nel caso desideriamo il funzionamento impulsivo (monostabile, posizione MONO) o dal flip-flop se la modalità desiderata è quella bistabile (BIST.); rimanendo un istante sul 555, in quest’ultima modalità il piedino 5 termina su un condensatore, come nello schema canonico, mentre in posizione MONO riceve il potenziale di un partitore resistivo esterno formato da R5 ed R6.
Se questo è connesso all’U1, ne altera i potenziali di riferimento dei comparatori interni, al punto che le soglie di commutazione sono leggermente innalzate, tanto che nella formula del monostabile si può sostituire il fattore 1,1 con 1,4. Ciò vuol dire che gli impulsi forniti dal 555 saranno in realtà più lunghi di quanto calcolato teoricamente.
Comunque sia, se con l’SW1 scegliamo il funzionamento monostabile, il relé sarà comandato dall’impulso prodotto dal timer 555 ad ogni rilevamento di un battito di mani.
Se invece spostiamo il doppio deviatore su BIST entrerà in gioco il flip-flop U2, che, triggerato dagli impulsi forniti dal monostabile, alternerà lo stato logico alle proprie uscite Q e /Q attivando stabilmente il relé e mantenendolo a riposo alternativamente. Peraltro va notato che nella modalità bistabile avremo all’uscita dell’U1 impulsi più brevi, dato che la loro durata sarà determinata solo dal partitore interno al 555.
Vediamo dunque cosa accade inserendo U2 (uno dei due flip-flop di tipo D contenuti nell’integrato 4013 montato nel circuito, secondo lo schema a blocchi proposto nella Fig. 2) fra l’uscita dell’U1 e la base del transistor T2: ogni impulso, ovvero ciascun livello logico alto al piedino 3 dell’U1, triggera l’ingresso di clock (C) del flip-flop, che nel nostro circuito abbiamo connesso in modo latch; questo tipo di configurazione implica che l’uscita complementata (/Q) comandi l’ingresso D (Data, piedino 5) e questo permette di ottenere dal flip-flop proprio il funzionamento descritto.
In pratica, partendo dalla condizione iniziale in cui Q è a zero logico e /Q ad 1, al primo impulso ricevuto dal clock l’uscita Q passa a livello alto. Questo perché la caratteristica del flip-flop D-type è che ad ogni impulso positivo sulla linea di clock il Q presenti lo stesso stato logico dell’ingresso D e, di conseguenza, /Q si ponga al livello logico opposto. Al successivo impulso, giacché ora Q è ad 1 e /Q a zero, l’uscita Q torna a livello basso e la Q ad 1. Andando avanti a fornire impulsi, il ciclo si ripete fino a quando il piedino di clock viene eccitato, vedendo l’avvicendarsi degli stati logici 1 e 0 alle uscite (piedini 1 e 2) del flip-flop.
Nella modalità bistabile è necessario che la durata dell’impulso sia inferiore, tipicamente, a quella del ciclo di commutazione, altrimenti, qualora si desiderassero attivazioni e disattivazioni molto ravvicinate, ciò non sarebbe possibile: bisognerebbe infatti attendere che il piedino 3 del 555 torni a livello basso prima di poter impartire un nuovo comando.
Giunti a questo punto, abbiamo visto le vicende del 555 e non ci resta che analizzare la parte di uscita, ovvero l’attuatore di cui il circuito si serve per commutare l’alimentazione sul carico; come accennato, questo blocco viene collegato all’uscita del 555 o a quella del flip-flop a seconda che si voglia, rispettivamente, sfruttare la modalità monostabile (uscita temporizzata) o quella bistabile (uscita on/off alternata) e tale selezione viene operata tramite il doppio deviatore SW1.
Quale che sia la fonte del segnale di comando, esso pilota la base del transistor T1 attraverso la resistenza di polarizzazione R4, mandando in saturazione il BJT quando si trova a livello alto e pertanto per tutta la durata della tensione di comando presente sul cursore del doppio deviatore. Pertanto, quando sulla resistenza R4 è presente il livello logico alto, il collettore del transistor alimenta la bobina del relé RL1 facendone scattare l’equipaggio mobile e chiudendo il contatto centrale (C) sul normalmente aperto (NO); al ritorno a zero volt (o comunque al disotto della tensione Vbe di soglia) il T1 torna interdetto, priva la bobina del relé dell’alimentazione e lo scambio ritorna a riposo, chiudendo C su NA.
Siccome la bobina del relé, quando viene privata della tensione tende a reagire con un’extratensione inversa (questo fenomeno si deve alla sua natura induttiva) che danneggerebbe la giunzione base-collettore del transistor T1, tra i suoi capi (ossia tra collettore del transistor e positivo di alimentazione) abbiamo applicato un diodo con funzione di soppressione di tale picco, collegato in antiparallelo, vale a dire con il catodo sul positivo; in tal modo in condizioni normali il D1 è interdetto e conduce solamente quando si presenta una componente di polarità inversa.
Il circuito si alimenta in corrente continua attraverso la morsettiera facente capo a +12V e GND.
Fig. 2 Schema a blocchi interno del 4013
Realizzazione pratica
Dopo aver illustrato il funzionamento del nostro timer start/stop, passiamo ora alle note costruttive, iniziando dal montaggio dei componenti. Si comincia con le resistenze, il diodo al silicio D1 e i condensatori non polarizzati, per poi procedere con gli integrati 555 e 4013, che possono essere montati su zoccoli DIP a 8 pin (4+4); in tal caso, inserite gli integrati solo dopo aver saldato tutti gli altri componenti.
Successivamente, montate il transistor NPN, quindi le morsettiere a passo 5 mm, i condensatori elettrolitici (C1 e C3) e infine il relé, che va inserito nel verso corretto.
La capsula microfonica electret può essere montata direttamente sul circuito stampato oppure collegata alle apposite piazzole mediante un cavetto coassiale schermato. In tal caso, utilizzate il filo centrale per il segnale e la calza per la massa. Ricordate che, di norma, il polo negativo della capsula si riconosce perché è elettricamente connesso al contenitore.
La posizione della capsula electret va scelta in base al tipo di installazione desiderata: ovvero, se si intende rilevare il battito di mani (o altri suoni di attivazione) in prossimità o a distanza rispetto al punto in cui è installato il carico.
Piano di montaggio
Elenco Componenti:
R2: 1 kohm R1, R3, R6: 10 kohm R4: 15 kohm R5: 4,7 kohm R7: Trimmer 1 Mohm MV C1, C3: 100 µF 16 VL elettrolitico C2: 100 nF 63 VL poliestere D1: 1N4148 T1, T2: BC547 U1: NE555P U2: CD4013BE RL1: Relé 12V/10A 1 scambio MIC1: Capsula micorofonica preamplificata ø 10 mm Varie: - Deviatore slitta 2 vie - Morsetto 2 poli passo 5 mm - Morsetto 3 poli passo 5 mm - Zoccolo 4+4 - Zoccolo 7+7 - Porta batteria 9V - Circuito stampato FK006 (62x40 mm)
Utilizzo del Clap Switch
Bene, ora che avete montato il circuito potete pensare all’installazione e all’utilizzo pratico, giacché il circuito è subito utilizzabile e non richiede regolazioni preliminari, salvo quella del trimmer che imposta il tempo dell’impulso monostabile (o comunque di trigger del flip-flop) e la selezione, tramite il doppio deviatore, della modalità di funzionamento.
Per l’installazione rammentate che lo scambio del relé può essere utilizzato per interrompere uno dei fili (se trattasi di corrente alternata, raccomandiamo quello della fase, da identificare preventivamente mediante un cacciaviti cercafase) di alimentazione dell’utilizzatore. Ricordate i limiti di tensione e corrente commutabile indicati nelle caratteristiche tecniche esposte a inizio articolo.
Per l’utilizzo ricordiamo che in modalità monostabile bisogna spostare il deviatore SW1 in posizione “MONO” e si potrà quindi agire sul trimmer per impostare il tempo trascorso il quale il relé ritornerà a riposo. Il battito di mani commuterà l’uscita, dopo di che allo scadere del tempo impostato l’uscita tornerà a riposo.
Il tempo di attivazione varia da 1s a 110s.
In modalità bistabile bisogna spostare il deviatore SW1 in posizione “BIST” e il trimmer R5 dovrà essere girato completamente in senso antiorario, in modo da portare la resistenza al minimo possibile: ciò, allo scopo di avere un periodo molto corto e poter quindi impartire più comandi ravvicinati, giacché va considerato che la distanza temporale minima tra un battito di mani e il successivo non può essere inferiore alla durata dell’impulso prodotto dal monostabile implementato dal 555. Ricordate che in modalità bistabile un battito di mani commuterà l’uscita e un successivo battito di mani la porterà a riposo.
