Semplice interruttore “toggle”

 

 

Costruire un commutatore toggle con un flip-flop

 

 

Spesso l'uso di un interruttore di tipo "flip-flop" con pulsante può risultare simpatico o, addirittura, utile se non necessario. Oggi, nei grossi negozi di materiale elettrico è possibile acquistare, già belli e pronti, interruttori "flip-flop" d'uso domestico (ad esempio da parete per accendere e spegnere le lampade di casa o altri carichi domestici). Sono tutti composti da un piccolo e semplice circuito elettrico con relè che consente la commutazione OFF/ON e ON/OFF di un qualsiasi carico, anche abbastanza grande, attraverso un'operazione molto banale quale è la semplice pressione ed il successivo rilascio di un unico pulsante. Il circuito presentato in queste poche pagine ha proprio lo scopo di realizzare la costruzione di un interruttore "flip-flop" a pulsante. La costruzione di questo circuito mi fu chiesta, non molto tempo fa, da un amico che aveva esigenza di un circuito simile a cui collegare un particolare pulsante impermeabilizzato e subacqueo con il quale doveva poter attivare e disattivare una pompa idrica sommersa. L'aggeggio è chiamato interruttore 'flip-flop" perché il cuore del circuito è un flip-flop toggle, cioè a commutazione. Si sarebbe potuto usare anche un circuito utilizzante cinque porte NAND come in figura 1 ma poiché esistono in commercio flip-flop già integrati in chip ed, inoltre, quando realizzai il circuito avevo premura di terminare quanto prima possibile il dispositivo, decisi l'uso del comunissimo integrato CMOS 4013 ed un montaggio sbrigativo e di pochi collegamenti. Il circuito integrato 4013 racchiude al suo interno due flip-flop di tipo D (vedi figura 2 e relativa tabella della verità). Chiudendo in corto l'uscita negata _Q (pin 2) con il piedino d'ingresso del dato (pin 5), si può usare il piedino di clock come nuovo ingresso. Infatti, ogni qualvolta verrà registrata una transizione dal livello logico 0 al livello logico 1 (quindi su ogni fronte di salita o "rise time"), il flip-flop si attiva "sparando" sulla sua uscita Q il livello logico che si ritrova sull'ingresso D. Poiché il piedino del dato è collegato all'uscita negata, sull'ingresso D ci sarà sempre un livello logico opposto a quello dell'uscita Q. La conseguenza di tutto ciò è che ogni volta che si produce una transizione da 0 a 1 sul piedino di clock, l'ingresso del dato legge l'uscita negata _Q ed essendo quest’ultima sempre opposta all'uscita Q, si avrà un cambiamento del livello logico su Q. Ad esempio, se l'uscita Q è a livello logico 0, _Q sarà, obbligatoriamente, al livello 1 e quando produrrò una transizione 0/1 sul clock, il flip-flop trasferisce, immediatamente, il livello D, cioè 1, all'uscita Q. Quindi, Q passerà da 0 a 1. Viceversa, se dovessi creare una seconda transizione 0/1 sul piedino di clock, il flip-flop del CD4013 trasferisce il valore di D, cioè 0, all'uscita Q, cosicché Q passerà dal livello 1 al livello 0 ed automaticamente _Q diventerà di nuovo 1, ripristinandosi la situazione originaria di partenza. Questa configurazione con il corto circuito tra _Q e D è usata anche per dividere la frequenza di un'onda rettangolare per due. Se ponessi, quindi, un'onda a 10 KHz sul clock, all'uscita Q preleverò un'onda a 5 KHz (vedi foto oscilloscopica). In figura 3 è visibile il circuito elettrico completo di uno stadio di potenza per eccitare un relè. La commutazione del relè è possibile grazie ad un robusto transistor darlington BC517. Quando giungerà un impulso positivo sulla sua base, esso saturerà, offrendo una resistenza bassa tra i suoi elettrodi di collettore ed emettitore e garantendo, quindi, il collegamento di un terminale della bobina del relè ad un potenziale molto basso (poco più di quello di massa). L'altro terminale della stessa bobina è collegato al potenziale + 12Volt, per cui la differenza di potenziale tra i due terminali della bobina è quasi pari a 12Volt, quanto basta per eccitarlo.

Sullo schema elettrico è visibile anche una rete RC collegata sull'ingresso del clock. Questa è una rete "anti-rimbalzo" e serve a scongiurare gli inevitabili effetti di rimbalzo alla pressione del pulsante. Difatti, quando si preme qualsiasi pulsante, nell'istante, il contatto elettrico non è netto: se faccio cadere una sferetta di metallo su una superficie rigida (metallo legno), la sfera rimbalzerà alcune volte prima di stabilirsi definitivamente sulla superficie. Ciò accade anche nei pulsanti ed interruttori meccanici, anche se noi, naturalmente, non ce ne accorgiamo. L'ingresso del flip-flop, invece, se ne accorge, e come! In più dobbiamo considerare tutto il "rumore" dei segnali spuri presenti nei dintorni e captati dal circuito integrato. Del resto, essendo il CD4013 un integrato CMOS, ha gli ingressi ad alta impedenza e perciò sensibilissimi ad ogni minima variazione di potenziale elettrico. Se non si montasse questa semplice rete RC, appena si alimenta il circuito, il relè, come se impazzito, comincerà ad aprire e chiudere i suoi contatti freneticamente.

L'effetto elettrico ottenuto dal condensatore da 4,7 microF in parallelo alla resistenza da 5600 ohm è di integrazione ed elimina di ogni fastidioso fenomeno transitorio od oscillatorio di disturbo. Nel circuito è presente anche una seconda rete RC unitamente ad un normale diodo: è la rete di "bootstrap" o "di partenza". Essa ha la funzione di garantire, al momento del collegamento dell'alimentazione al circuito, che il flip-flop parta sempre con lo stato logico 0 sul piedino di uscita Q. Questa rete è importantissima e pensate se non ci fosse cosa accadrebbe. Infatti, questo circuito è stato originariamente ideato per la commutazione di un'elettropompa sommersa. Ora, supponiamo che io non avessi provveduto a montare la rete di "bootstrap" e che il mio amico, destinatario ed utilizzatore di questo circuito, fosse tranquillamente andato via poco prima che sopraggiungesse un blackout elettrico. Tutto si spegne ed anche il circuito in esame. Poco dopo, sempre in sua assenza, ritorna l'energia elettrica e tutto si riaccende, compreso il circuito "toggle". Ma cosa accade se al momento del ritorno dell'energia elettrica, il circuito riparte con uno stato logico 1 sul piedino d'uscita Q? Semplice,l'elettropompa si accende ed allaga tutto! Infatti, in assenza della rete di "bootstrap", il circuito partirebbe con una logica casuale. Questa seconda rete RC, osservando lo schema elettrico, ha la funzione di tenere "basso" il piedino "S" (setup) all'atto della partenza del circuito e quando il piedino di setup è tenuto a 0, il flip-flop del 4013 presenterà uno 0 logico sull'uscita Q a prescindere da ogni altra cosa.

Percorriamo, ora, le fasi della partenza del circuito.

Nell'istante in cui giunge l'alimentazione a 12Volt sull'armatura positiva del condensatore elettrolitico da 10 microF, l'altra armatura, opponendosi alla brusca variazione, si carica con un potenziale uguale e contrario (vedi teoria del funzionamento dei condensatori a regime impulsivo). In questo brevissimo intervallo, la tensione sull'armatura che è collegata alla resistenza da 100Kohm è, quindi, negativa. Il diodo 1N4148 si trova, perciò, ad essere polarizzato direttamente e stabilizza ai suoi capi (e quindi sul piedino di setup) una

potenziale elettrico di -0,7Volt. Con una tensione leggermente negativa al piedino "S" e con un collegamento a massa del piedino di reset (R) si è sicuri che il flip-flop partirà sempre con l'uscita Q a livello logico 0. La realizzazione pratica è talmente banale da poter usare una basetta di vetronite "millefori" (vedi foto 1 e 2).