Campanello elettronico (door bell)

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Categoria: Elettronica
Data pubblicazione
Scritto da TheAlu10000 Visite: 10486

Campanello elettronico

Uno leggendo il titolo qui sopra potrebbe pensare a un semplice oscillatore a onda quadra, che emette una nota quando viene premuto il pulsante per suonare alla porta. Troppo semplice.
No, questo campanello elettronico l'ho messo su prendendo come modello un vecchio circuito integrato che esplicitava tale funzione. Sto parlando del SAB0600: esso era un “three tone chimes”, un circuito integrato che alla pressione di un pulsante ad esso collegato riproduceva in sequenza tre note, accordate secondo una triade maggiore, dalla più alta alla più bassa. Ad esempio, riproduceva le note G-E-C (per chi non sapesse la notazione anglosassone, sol-mi-do). L'altezza dell'accordo maggiore risultante (C major, Do maggiore) si poteva regolare, ma non le singole note (riproduceva solo una triade maggiore di note).
Tale circuito integrato aveva un oscillatore principale, da cui venivano ricavate le tre note e la frequenza con cui venivano riprodotte in sequenza. Ovviamente, se si alzava la frequenza dell'oscillatore principale, si alzavano anche le note stesse, ma esse venivano riprodotte con una sequenza più veloce.
Inoltre, tali note non suonavano una alla volta: la nota, una volta fatta partire, ci impiegava un certo tempo per diminuire di volume. L'effetto che si otteneva era quindi una sovrapposizione delle note stesse, ottenendo così l'accordo, che con il tempo sfumavano di volume.
Inoltre tale integrato possedeva al suo interno anche l'amplificatore per pilotare un piccolo altoparlante.
Per fare un esempio, il suono prodotto dal SAB0600 è possibile sentirlo come jingle iniziale per le comunicazioni di servizio all'interno di un supermercato.
Sarebbe ugualmente troppo semplice presentare un campanello elettronico fatto attorno al SAB0600. Dato che oggi tale integrato risulta di difficile reperibilità, e inoltre risulta essere anche costoso, ho deciso quindi di mettere su un circuito che riproducesse più fedelmente possibile la funzione del SAB0600.
Il circuito che vi presento qui può riprodurre 4 note sovrapposte in sequenza, l'altezza di ogni nota è indipendente dalle altre (dando così modo di impostare una qualsiasi sequenza di note) ed anche la velocità di riproduzione delle stesse è indipendente. Anche il timbro prodotto è piuttosto fedele (mia opinione personale). Il circuito però non è dotato di amplificatore: ho preferito non includerlo in quanto ognuno così può usare l'amplificatore che più gli va bene.
 

Prendendo come modello il SAB0600, ed analizzando il suo funzionamento e la riproduzione delle note, è possibile tracciare uno schema a blocchi del circuito:

 

 

 

Lo schema a blocchi è stato adattato per il circuito qui presentato, pertanto non è esattamente lo schema a blocchi del SAB0600.
Sono presenti 4 oscillatori indipendenti: ognuno produce una delle note della sequenza. Ogni oscillatore ha il suo trimmer per l'impostazione della nota stessa.
E' presente un quinto oscillatore, però che lavora a frequenza molto più bassa, che scandisce la velocità di attacco delle 4 note della sequenza.
Quest'ultimo oscillatore pilota un contatore modulo 4, che quindi produce in uscita una sequenza di 4 impulsi su 4 uscite. Per tale scopo si può usare il famoso 4017.

Le note da riprodurre hanno la particolarità di essere riprodotte con un volume variabile (inviluppo), in particolare all'attacco sono riprodotte al massimo del volume, poi con il tempo il volume diminuisce fino a zero. Per fare ciò, ogni nota deve passare per un amplificatore variabile, controllato in tensione (VCA, voltage controlled amplifier). Dalla sequenza di 4 impulsi prodotti dal contatore devono essere ricavate 4 tensioni di pilotaggio per i 4 VCA, che non sono altro che gli inviluppi delle 4 note. Alla produzione dell'impulso, la tensione per l'inviluppo deve essere massima, quindi scendere gradualmente a zero in un certo lasso di tempo. Ciò si traduce nella nota che viene all'inizio riprodotta al massimo volume, e con il tempo il suo volume diminuisce fino a zero (sfuma verso zero). Quindi è presente un sommatore (mixer) che preleva il segnale in uscita dai 4 VCA e un circuito d'uscita, il cui compito è principalmente di rendere le note prodotte dagli oscillatori un po' meno metalliche e più armoniose.

 

Schema elettrico:

 

 

 

 

Funzionamento:
I due flip-flop presenti nel 4027 vengono qui usati come dei semplici latch SR. Di questi due latch, uno viene usato nel circuito contatore per generare la sequenza di 4 impulsi, mentre l'altro viene fatto funzionare come monostabile, che all'accensione genera un impulso di reset per il contatore, evitando così che questo all'accensione del circuito faccia partire la sequenza, facendo così suonare il campanello.
Il funzionamento di quest'ultimo latch è in realtà molto semplice: esso sfrutta due reti RC, però con due costanti di tempo differenti. La rete RC collegata all'ingresso set di questo latch produce un impulso che setta il latch: in queste condizioni il tach porta a livello 1 l'uscita Q, che è collegata all'altra rete RC (con una costante di tempo maggiore). L'uscita di questa rete è collegata al reset dello stesso latch. Quando il condensatore di questa rete raggiungerà di 2/3 di Vcc, l'ingresso reset verrà riconosciuto come un 1 logico, resettando il latch. Il risultato è appunto la generazione di un impulso sull'uscita Q, impulso che viene usato come reset generale. Tale meccanismo non si ripete, in quanto dopo il reset l'ingresso set del latch è ormai a zero già da un po' (per via della costante di tempo più piccola di questa rete RC), non settando più il latch.
L'altro latch invece viene usato per far partire e fermare la sequenza degli impulsi. Premendo il pulsante questo latch viene settato: così l'uscita /Q diventa 0, permettendo così all'oscillatore per la sequenza di oscillare liberamente. Il blocco di questo oscillatore avviene tramite il diodo: se in ingresso c'è uno 0 logico, esso è libero di oscillare; se invece c'è un 1 logico, l'ingresso della porta not viene forzato anch'esso a 1, forzando la sua uscita a zero, impedendo così al condensatore di scaricarsi.
Una volta sbloccato questo oscillatore, esso genera un'onda quadra che fa andare avanti il contatore johnson 4017: la prima uscita (Q0) di questo contatore non viene usata in quanto è attiva quando il circuito è a riposo. Ad ogni impulso dato al contatore, esso avanza generando un impulso nelle uscite Q1, Q2, Q3 e Q4. Al quinto impulso di avanzamento, viene attivato Q5, che provvede a resettare il latch e lo stesso contatore, quindi bloccando l'oscillatore.
Sono presenti altri 4 oscillatori fatti con altrettante porte not contenute nel 40106, essi però lavorano in banda audio: ognuno di questi oscillatori genera una delle 4 note della sequenza da riprodurre. Ognuno di questi oscillatori è provvisto di trimmer per la taratura della sua frequenza di oscillazione, che si traduce nella nota generata. La restante porta not viene usata come squadratore per l'impulso generato premendo il pulsante.
Ora tocca trasformare i 4 impulsi generati dal contatore in tensioni che facciano da inviluppo per le 4 note.
Tale inviluppo deve, quando iniziato con l'impulso, essere subito al valore massimo all'inizio (quindi un attacco della nota molto veloce), quindi decrescere con il tempo, una volta che l'impulso di generazione è levato.
Ciò si risolve semplicemente con un diodo, un condensatore di grossa capacità e una resistenza. Il condensatore viene caricato, tramite il diodo, al massimo valore di tensione (corrispodente a Vcc meno la caduta di tensione sul diodo); una volta che l'impulso scompare il condensatore è libero di scaricarsi sulla resistenza collegata in parallelo. Il diodo serve per evitare che la tensione contenuta nel condesatore rientri nell'uscita del contatore, sarebbe dannoso per il contatore stesso.
E' facile intuire che variando il valore di questo condensatore e della resistenza collegata in parallelo è possibile variare il tempo impiegato dal condensatore a scaricarsi (la carica è invece immediata). Per tempi più lunghi si può aumentare il valore del condensatore e/o della resistenza; per tempi più corti si possono diminuire. Però non consiglio di diminuire troppo tali valori in quanto potrebbero far scaricare il condensatore troppo velocemente, prima che la nota successiva venga eseguita, quindi non si avrebbe la sovrapposizione delle note.
Ora, avendo a disposizione la nota e una tensione che riproduce il suo inviluppo in uscita, bisogna fare in modo che il volume della nota (cioè l'ampiezza dell'onda quadra generata dall'oscillatore della nota) venga pilotato dalla tensione d'inviluppo. Più precisamente, se la tensione di controllo è al massimo allora anche il volume della nota è al massimo; se la tensione diminuisce allora diminuisce anche il volume della nota.
Per fare questo è necessario un “amplificatore” controllato in tensione, più noto come VCA (voltage controlled amplifier). Il fatto che bisogna trattare un'onda quadra ha permesso di ridurre drasticamente la complessità del VCA, arrivando a usare solo due resistenze, un transistor e un op-amp.
Tale VCA è basato sulle resistenze di “pull-up”, usate per portare a un 1 logico un'uscita digitale di tipo open collector, quando questa è disattivata. Infatti un'uscita open collector quando è attivata presenta uno 0 logico in uscita, quando invece è disattivata la sua uscita non assume nessun livello logico (cioè diventa “flottante”). In questo caso per avere un 1 logico si usa mettere una resistenza tra il positivo di alimentazione e l'uscita open collector, in modo che questa quando è disattivata si porti a un 1 logico tramite la resistenza (ecco perchè è chiamata “pull-up”, cioè che tira su).
In particolare, l'uno logico generato così ha un valore di tensione pari alla tensione positiva a cui è collegata la resistenza. Se si varia tale tensione si può quindi variare anche il livello di tensione d'uscita per l'uno logico. Da qui viene l'idea di collegare la resistenza di pull-up non al positivo di alimentazione ma alla tensione d'inviluppo: così l'onda quadra in uscita avrà un'ampiezza che segue fedelmente il valore della tensione d'inviluppo. L'op-amp, collegato come inseguitore, si è reso necessario in quanto la rete RC che genera l'inviluppo non poteva erogare abbastanza corrente per pilotare l'uscita open collector, inoltre il transistor quando è in saturazione assorbe corrente tramite la resistenza di pull-up, corrente che avrebbe fatto scaricare velocemente il condensatore per l'inviluppo.
Sono presenti 4 VCA identici, uno per ogni nota.
Le 4 onde quadre in uscita dai VCA sono quindi sommate fra loro, e il segnale audio risultante viene fatto passare tramite un filtro passa-basso del secondo ordine, in modo da eliminare un po' di armoniche delle onde quadre, rendendo il suono meno metallico. L'onda prodotta in uscita dal filtro non è più quadra ma è molto vicina a un'onda triangolare.
Il segnale audio prodotto quindi è pronto per essere dato a un amplificatore di potenza, in modo che si possa pilotare l'altoparlante.
 
Il circuito viene alimentato a 9V. Non vi sto a spiegare come fare un piccolo alimentatore a 9V in quanto internet è pieno di schemi di alimentatori regolati a 9V.
Come op-amp è stato scelto il CA3240: esso può operare tranquillamente con una tensione singola di alimentazione, ma sopratutto le sue uscite possono raggiungere 0V con alimentazione singola, cosa non sempre possibile con gli op-amp. Questo aspetto è importante in quanto gli inseguitori devono poter raggiungere 0V in uscita: se si usassero op-amp che in uscita non raggiungono i 0V, i VCA avrebbero sempre un minimo di tensione di pilotaggio, lasciando passare sempre le note al volume minimo. In pratica, il campanello continuerebbe a suonare al volume minimo. Perciò è importante usare op-amp che abbiano queste caratteristiche (un op-amp che è in grado di portare la sua uscita pari ai valori di alimentazione si dice che è “rail-to-rail”. Gli op-amp classici non possono fare questo).
Non è stato previsto nessun master per il PCB, in quanto ritengo che ognuno debba vedere come sbrogliare al meglio lo stampato a seconda dello spazio che intende occupare. Io comunque ho cercato di usare meno componenti possibile per avere un circuito che occupasse poco spazio.

Nello schema non sono indicate le alimentazioni dell'integrato 4027 (pin 16 = +9V / pin 8 = massa).

 

 

 

  

Per dubbi/chiarimenti/altro scrivete nei commenti.

TheAlu10000 :D

 

Link al video (tenete il volume basso): http://www.youtube.com/watch?v=lFTy765r6gs