Interruttore crepuscolare con operazionale
L’interruttore crepuscolare è un dispositivo che viene utilizzato per comandare un carico elettrico in presenza di variazioni luminose. L’elemento usato per captare queste variazioni di luce è quasi sempre una fotoresistenza, la quale presenta ai suoi capi un valore Ohmico che dipende dalla quantità di luce che colpisce la sua superficie sensibile. Questo valore varia da poche centinaia di Ohm in presenza di luce a qualche mega Ohm al buio. Sfruttando questa caratteristica possiamo realizzare un automatismo per attivare un utilizzatore la sera quando fa buio o in situazioni analoghe. In questo articolo vengono presentati due schemi, entrambi con un’uscita a led e a relè e si differenziano fra loro solo per la presenza, nel secondo, di una sezione che permette di regolare la luminosità dei led.
Descrivendo brevemente il funzionamento, si può dire che le variazioni luminose sono captate dalla fotoresistenza e applicate al pin 2 invertente dell’operazionale LM 358 usato come Trigger di Schmitt a soglia regolabile. Questo tipo di comparatore, chiamato anche ad isteresi, in presenza di luce fornisce in uscita un livello logico pari a zero e in queste condizioni i transistor ad esso collegati, non ricevendo nessuna tensione di polarizzazione, rimangono nello stato di interdizione. In pratica il relè rimane a riposo e il led sono spenti. Al buio o quando la quantità di luce diminuisce sotto un certo valore, il comparatore fornisce in uscita un livello logico 1 ( cioè massima tensione positiva ) e i transistor vengono polarizzati correttamente facendo scattare il relè o accendendo la serie di led collegati in uscita. La soglia di intervento del comparatore può essere regolata dal trimmer da 10 Kohm collegato al pin 3 non invertente.
Il motivo per cui è stato scelto di usare un trigger di schmitt in luogo di un normale comparatore di tensione risiede nel fatto che, per le sua particolare caratteristica di funzionamento, esso risulta più immune ad eventuali disturbi che si possono verificare in entrata, eliminando così anche tutte quelle condizioni di incertezza che potrebbero fare attivare involontariamente il circuito. Inoltre, è stata introdotta una rete di ritardo formata da una resistenza da 100 KOhm ed un condensatore elettrolitico da 100 uF, indicati nello schema con Rx ed Cx. Questa rete RC serve per non attivare istantaneamente il circuito e per fare in modo che rimanga nella condizione in cui si trova per qualche secondo prima di commutare lo stato in uscita. Si pensi ad esempio quando al buio il circuito viene colpito per qualche istante da una sorgente luminosa inaspettata. Variando il valore di uno di questi componenti si cambia il ritardo nella commutazione. Se si desidera invece avere una risposta immediata alle variazioni di luce basterà non montare questi due elementi.
Nello schema ho utilizzato 5 led a luce bianca ad alta luminosità ma possono esserne collegati fino a 10 variando il valore della resistenza collegata alla base del transistor BC337. Se si decide quindi di utilizzare 5 led, per il tipo di transistor usato, la resistenza di base dev’essere da 12 Kohm, mentre tale valore scende a 5.6 Kohm se si decice di utilizzarne 10. Infatti questo modello può sopportare una corrente massima di collettore di a 800 mA e con 10 led collegati si avrà un assorbimento massimo più o meno di 200 mA ( 10 x 20 mA = 200 mA ). Sull’uscita del comparatore è collegato anche il transistor che comanda il relè a 12 V e che può alimentare carichi a 240 V in tensione alternata. Anche qui ho usato un Bc337 ma per tale scopo va bene anche un BC547 senza variare i valori delle resistenze collegate alla base.
Nel secondo schema invece è presente una sezione che permette di variare la luminosità dei led posti in uscita. Questa funzione è svolta dall’integrato 555 che produce un segnale ad onda quadra il cui duty cycle ( la durata della semionda positiva rispetto a quella negativa del segnale presente in uscita sul pin 3 ) può essere variato dal trimmer collegato al pin 7. In condizioni normali il pin 4 di RESET è posto ad una tensione prossima a 0 V, in questo modo l’integrato risulta bloccato e anche il transistor si trova nello stato di interdizione. Al buio, l’uscita del Trigger commuterà a livello logico 1 e il pin RESET ricevendo la massima tensione positiva sbloccherà il 555 che andrà a polarizzare correttamente il transistor facendo accendere i led.
Un’altra variante dello schema originale in cui i led sono stati sostituiti da una lampada da 12 V – 5 Watt pilotata da un transistor 2N1711
Nel video si vede la funzione PWM svolta dal 555. Si noti come agendo sul trimmer da 50 Kohm si fa variare la durata del semiperiodo positivo. Il valore del trimmer poc’anzi menzionato può essere portato tranquillamente a 100 Kohm.
Finora si è dato per scontato che il circuito descritto normalmente reagisce al buio, cioè si ha un livello logico 1 in uscita del Trigger quando è buio. Invertendo il collegamento della fotoresistenza come mostrato qui sotto il dispositivo funziona al contrario, cioè si avrà massima tensione positiva in uscita dal comparatore in presenza di luce.
Montaggio su breadbord per le verifiche e vari test
L’interruttore crepuscolare a montaggio ultimato
Video dimostrativo del funzionamento del circuito
Particolare degli integrati usati nel progetto
