Maturità -1995 Elettronica

TEMA D'ESAME DI MATURITÀ PROFESSIONALE 1995

"TECNICO DELLE INDUSTRIE ELETTRICHE ED ELETTRONICHE"

Tema di ELETTROTECNICA ED ELETTRONICA:

Con riferimento allo schema a blocchi di figura 1, nell'ipotesi che:

a)  all'atto dell'accensione il monostabile A generi subito una 

    temporizzazione,e il monostabile B rimanga bloccato;

b)  siano disponibili due tensioni di alimentazione + 5V(Vcc) e - 5V(Vee);

c)  i componenti abbiano caratteristiche ideali;

d)  la tensione di uscita abbia una frequenza pari a 1KHz ed uno 

    stato alto pari al 25% del periodo.

Il candidato, dopo aver formulato le eventuali ipotesi aggiuntive:

1)  illustri il funzionamento del dispositivo e

2)  ne proponga una soluzione circuitale con componenti di sua conoscenza.

IPOTESI AGGIUNTIVE:

Disponendo di una alimentazione duale (+5V e -5V) ritengo di risolvere il problema realizzando i due monostabili e i due rivelatori di fronte di discesa con operazionali. Dovendo essere lo stato alto, del segnale di uscita, pari al 25% del periodo e constatato che il secondo monostabile inizia il suo ciclo di temporizzazione con il fronte di discesa del segnale proveniente dal primo, posso tracciare l'andamento della tensione d'uscita (pin 2) come raffigurata nel grafico. Considerato che la temporizzazione avviene attraverso una costante di tempo RC, e sapendo dalla teoria che in un tempo pari ad RC il condensatore si carica al 63% della tensione a cui è sottoposto attraverso la R, posso imporre la soglia di commutazione del monostabile a tale valore in modo da far valere il legame T1= C1 x R1. Considerato che i due monostabili hanno lo stato stabile nella condizione di Vout=-Vcc ne consegue che l'impulso di comando deve essere positivo e pertanto il circuito rivelatore di fronte di discesa dovrà generare un impulso di comando positivo ad ogni fronte di discesa del segnale d'entrata (vedi grafico pin 14 e pin 7).

FUNZIONAMENTO:

L'operazionale contrassegnato con A privo del diodo D1 rappresenta un oscillatore ad onda quadra (astabile). La rete R2 R1 da origine ad una reazione positiva imponendo all'ingresso non invertente una soglia di tensione positiva +Voh e una negativa -Vol a seconda se l'uscita e a livello Voh max o a -Vol max.

Mediante la rete R1 e C1 si crea un circuito a rilassamento che con Voh max in uscita caricherá C1 sino a superare Voh dopo si inverte l'uscita, che va a -Vol max, e il condensatore si scaricherà sino a superare negativamente la Vol e il ciclo si ripeterà.

Aggiungendo D1 l'astabile si trasforma in un monostabile infatti quando C1, caricandosi attraverso R1, raggiunge +Voh e l'uscita commuta a -Vol max (-5V), C1 comincia la scarica sino a 0V poi ricomincia una carica verso -Vol ma il diodo lo blocca a circa - 0.6/07V. Non potendo mai raggiungere -Vol l'uscita pin 1 resta nello stato stabile di -Vol max = - 5V.

Il monostabile potrà commutare sullo stato instabile (pin 1 a +Voh max = + 5v) solo se per un istante la tensione sul pin 3 supera il pin 2. Affinché possa valere la relazione T1= C1 x R1, come già affermato nelle ipotesi aggiuntive, e considerato che il condensatore parte da circa - 0.6V per tendere a + 5V attraverso R1, dovrà corrispondere +Voh al 63% di 5 + 0.6V = 5.6V cioè circa + 3.5 V. Tenendo conto che il partitore R3 R4 è fra massa e +5V si può ritenere che la caduta su R4 sia di circa 3V e pertanto la caduta su R2 di 2V. Fissata R4 a 10K ne consegue che la corrente di partitore è di 3/10k=0.3mA pertanto R3= 2/0.3 = 6.66KOhm (valore commerciale 6.8k). Quanto sopra esposto vale anche per il monostabile B. Per ottenere l'impulso di comando per la commutazione del secondo monostabile sul fronte di discesa del primo, si fa uso di un integratore sempre con operazionale cosi da avere un impulso positivo sul fronte di discesa del segnale applicato al suo ingresso (vedi operazionale C e D). Si osserva che avendo il non invertente (pin 12 o pin 5) a massa l'uscita pin 14 e pin 7 sono normalmente pure a livello di massa. Quando però C3 o C4 sono sottoposti a variazioni di tensioni rapide come i fronti ripidi di salita o di discesa, sul pin invertente abbiamo, nell'istante dei fronti, tutta la variazione di tensione. Ne consegue che col fronte di salita avremo un impulso in discesa sull'uscita e con il fronte di discesa (quello che interessa a noi) un impulso in salita sull'uscita (vedi grafico pin 14 e pin 7). La dura di tali impulsi dipendono dalla costante di tempo C3 R5 o da C4 R8 che dovrà essere breve rispetto alle temporizzazioni T1 e T2 in gioco. I diodi D3 e D4 servono a tagliare gli impulsi dovuti ai fronti di salita, infatti lasceranno passare solo quelli positivi che a noi interessano per la commutazione dei monostabili. Riassumendo il funzionamento complessivo partendo dalle considerazioni delle ipotesi del tema, si ha sull'uscita pin 1 un livello alto e C1 si carica attraverso R1 verso la soglia di commutazione +Voh di circa 3V (vedi grafico pin2). L'operazionale B è nello stato stabile con uscita pin 8 a -Vcc. Appena il primo monostabile ha temporizzato per un tempo T1, la sua uscita commuta verso -5V cosi da ottenere dall'operazionale C un impulso positivo sul pin 14 che attraverso il diodo D3 porta pin 10 dell'operazionale B a potenziale maggiore del pin 9 e cioè pin 8 a +5V facendo cosi iniziare la temporizzazione al secondo monostabile B per un tempo T2. A tal proposito T2 d'OVRA essere il 75% del periodo mentre T1 il 25%. Ne consegue che dovendo essere la frequenza un KHz cioè T=1mS sarà

T1=0.25mS e T2=0.75mS.

Fissando C1 e C2 = 10nF sarà:

R1=T1/C1 = 0.25mS/10nF= 25KOhm mentre

R2=T2/C2 = 0.75mS/10nF = 75Kohm.

Quando il secondo monostabile termina la sua temporizzazione e sul pin 8 si ha il fronte di discesa verso -Vcc, sul pin 7 si avrà un impulso positivo che attraverso D4 alza il potenziale di pin 3 rispetto a pin 2 mandando il monstabile A nello stato instabile generando la temporizzazione T1. Nel frattempo C2 si deve scaricare predisponendo il monostabile B per una nuovo ciclo. A tale scopo è stato aggiunto R9 e D5 che scaricano C2 con un tempo minore di T1.

SCHEMA ELETTRICO: