Viva l' analogico

 

 

Come emulare un potenziometro a sensori totalmente composto da elementi lineari

 

 

 

Sono convinto che i circuiti dagli schemi non oberati da eccessivo numeri di componenti o da particolari tarature, bensì, di immediata costruzione e dal celere funzionamento, siano quelli che attirano maggiormente sia i principianti che i più esperti sperimentatori elettronici. Un circuito semplice, facile da assimilare teoricamente e non gravoso nella realizzazione pratica è, in genere, quello che viene studiato con più interesse ed impegno e che dà la possibilità di avvicinarsi realmente al mondo dell'elettronica.

Studiare l'elettronica significa scoprirne meccanismi, comprendere i suoi "arcani misteri" (si fa per dire). Liberarsi un po' da questa moderna modularità concepita oggi come assemblaggio di sistemi più o meno complessi dei quali magari ignoriamo anche il funzionamento elettrico. Oggi si considera ad esempio un elettronico l'assemblatore di personal computer, addirittura il commerciante di apparecchiature audio e radio-TV o un avvenirista elettronico chi sa usare bene un ricevitore per telesatelliti o chi è in grado di impiantare un sistema d'antenna. Ebbene, all'insegna della sperimentazione semplice ma costruttiva e sorprendente, ho deciso di proporre un circuitino che già da qualche anno ho realizzato e che funziona tuttora in maniera a dir poco egregia. Si tratta di un vero e proprio potenziometro a sensori totalmente lineare. Ricordo quando costruii il primo prototipo e quando, dopo una giornata di ritocchi e perfezionamenti, riuscii a farlo funzionare correttamente; fu allora motivo di grande gioia e soddisfazione, nonostante la semplicità elettrica del circuito. Oggi, rivedendolo bene. non esiterei a definirlo un "ibrido", poiché, a sentir parlare di potenziometri a sensori manovrabili tramite pulsanti o sfioramento piastrine metalliche, viene subito in mente il classico circuito digitale con il tradizionale contatore 4017 ed una manciata di switch pilotati come i 4066. Questo circuito, invece, funziona totalmente in analogico, in modo da offrire una maggiore semplicità circuitale ed un più facile ed immediato interfacciamento con altri sistemi lineari.

 

 

 

II circuito

 

Come si può notare dallo schema di figura 1, gli unici componenti attivi utilizzati sono i due amplificatori operazionali CA3130 siglati U1 e U2.

Il secondo funge da stadio separatore con il piedino invertente cortocircuitato all'uscita (inseguitore di tensione con guadagno unitario).

Lo stadio separatore ha una funzione molto importante in elettronica in quanto favorisce il giusto adattamento delle impedenze tra IN e OUT per un corretto pilotaggio in uscita. Il CA3130, di cui vediamo i due probabili packages in figura 2, e un amplificatore operazionale in tecnologia BIMOS. Gli stadi di ingresso ed uscita interni sono composti da transistori MOSFET, mentre quello intermedio, che produce essenzialmente il guadagno, è realizzato con normali transistori bipolari. Si è scelto l'uso del 3130 perché, essendo costruito in tecnologia MOSFET, presenta ottime caratteristiche, prossime a quelle dell'amplificatore operazionale "ideale" e cioè:

 

·          impedenza di ingresso molto elevata e di uscita molto bassa che consente un alto guadagno ed alta potenza di pilotaggio in uscita  (anche con carichi molto elevati);

·          basso sbilanciamento e deriva in ingresso;

·          ottimo slew-rate (velocità di salita).

 

Lo stadio IC1 lavora come un normale comparatore; il suo piedino non-invertente (pin 3), grazie al partitore resistivo R1/R2, è fissato ad un valore di potenziale positivo che, rispetto alla massa, è pari alla metà della tensione di alimentazione.In tal modo, l'armatura sinistra di C2 tenderà a caricarsi alla tensione di alimentazione Vcc con una costante di tempo pari a:

 

 

 

Poiché la stessa armatura del condensatore è anche collegata al pin 2 di U1, la sua carica provocherà l'innalzamento del potenziale all'ingresso invertente del comparatore provocando, in tal modo, una diminuzione lineare della tensione elettrica all'uscita dello stesso (pin 6). Nell'istante in cui si toglierà il dito dal sensore S1, il livello di potenziale all'uscita di U1, che era in fase discendente, si bloccherà e rimarrà tale sino a quando non sfioreremo nuovamente i sensori.  La realtà di questo effetto "memorizzazione" è facilmente intuibile: togliendo il dito dal sensore S1, il condensatore C2 non avrà più modo di caricarsi alla tensione di alimentazione, né di scaricarsi, poiché è come se si trovasse connesso ad un "ramo appeso" in aria e cioè non collegato elettricamente al circuito.

In verità l'armatura sinistra del condensatore C2, osservando bene lo schema, non è un vero e proprio ramo appeso in quanto connesso, comunque, al pin 2 di U1. Ed ecco il pretesto per motivare la scelta di un operazionale in tecnologia BIMOS con altissima resistenza di ingresso. Infatti, l'alta resistenza di ingresso del 3130 comporta un assorbimento di qualche decina di picoampere (pA), cioè un assorbimento talmente esiguo da poter essere considerato trascurabile. Logicamente, per quanto le condizioni possano essere ottimali, c'è sempre da considerare le inevitabili correnti di perdita del condensatore attraverso l'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale, cosicché il valore di tensione di uscita memorizzato, deriva gradualmente del 2% circa verso lo zero elettrico. Sfiorando con il dito l'altro sensore S2, consentiremo le lenta e lineare scarica elettrica dell'armatura sinistra di C2 verso il potenziale zero, tramite la resistenza del nostro corpo. L'amplificatore operazionale U1 effettuerà, così, una comparazione lineare tra i potenziali ai suoi ingressi e poiché la tensione all'ingresso si affievolisce gradualmente rispetto a quella fissa e stabile dell'ingresso non invertente, esso produrrà in uscita (pin 6) un aumento altrettanto graduale caricando, in tal modo, l'armatura destra di C2. Si può ben notare, quindi, che il comportamento delle due armature del condensatore è perfettamente complementare: ovvero, se un'armatura subisce lo scaricamento elettrico, l'altra subirà, di conseguenza, il reciproco e simmetrico caricamento, fermo restando che la differenza di potenziale (d.d.p.) ai capi del condensatore rimarrà costante durante tutto il ciclo di funzionamento. Quindi, la conclusione è che ponendo a contatto le piastrine metalliche dei sensori con la pelle delle nostre dita provocheremo l'innalzamento (sfiorando S2) o l'abbassamento (sfiorando S1) lineare della tensione di uscita potendo, in tal modo, pilotare qualsiasi altro dispositivo comandato in tensione.

 

 

 

II master e la realizzazione pratica

 

Il numero di componenti necessario per la realizzazione del potenziamento a sfioramento è molto ridotto, pertanto chi non volesse entrare alle prese con cloruro ferrico, trasferibili e vetronite può divertirsi a metter subito mano al saldatore montando il tutto su una basetta millefori. Per lo sperimentatore elettronico che vuole realizzare molti prototipi velocemente e senza perdere troppo tempo per l'incisione dei circuiti stampati, consiglio il montaggio con tecnica wire-wrap dopo essersi munito di una basetta millefori, una bobina di sottile cavetto monofilare flessibile (e facile da spellare), una manciata di piccoli connettori a tulipano con piedini molto lunghi (una derivazione degli zoccoli per integrati) ed il classico arnese per avvolgere il filo attorno al pin (in commercio si trovano anche delle più comode pistole elettriche avvolgitrici). Comunque, per chi volesse un montaggio più pulito ed ordinato, in figura 3 c'è il master del circuito stampato (layer) e la disposizione dei componenti (silkscreen). I due piccoli sensori possono essere realizzati su due quadratini di bachelite o vetronite di 1 cmq, magari con i ritagli avanzati dalla lavorazione della basetta principale. Su tali quadratini andrà incisa una piccola grata, come in figura 4, ponendo i due "pettini" quanto più vicino possibile fra loro ma facendo attenzione a non porli a contatto elettrico. Infine se si preferiscono dei pulsanti ai sensori, si può optare per la soluzione visibile in figura 5: basta inserire in serie ai pulsanti due resistenze da 1 Mohm ciascuna, come emulazione dell'alta resistenza della nostra pelle.

L'alimentazione può spaziare tra i 9 ed i 30 Volt.