PROVA LED AUTOMATICO

di Antonello Della Pia
Un dispositivo per verificare in modo semplice e veloce il funzionamento dei diodi LED di uso più comune (a due terminali MONO e BICOLORE, a tre terminali BICOLORE, a quattro terminali RGB) ottenendo contemporaneamente un’indicazione univoca della polarità e della tipologia (ANODO comune oppure CATODO comune).
Sperimentando con diversi tipi di LED, magari riposti nello stesso contenitore ed esteriormente molto simili (come quelli trasparenti, che spenti sembrano tutti uguali) è nata spontaneamente l’idea di realizzare un apparecchio semplice ed autonomo che permettesse di riconoscerli e verificarne il corretto funzionamento. Il dispositivo è alimentato da una comune batteria da 9 Volt e dispone di connettori per accogliere i LED da provare, ricavati da una strip femmina: un connettore a due poli per diodi comuni a due terminali mono e bicolore, uno a tre poli per i bicolore standard, uno a quattro poli per i classici RGB. Accanto ai connettori troviamo due LED “di controllo”, uno rosso e uno blu, la cui funzione è indicare la polarità del diodo inserito rispetto al connettore e la tipologia del diodo stesso nel caso si tratti di elementi multipli con un elettrodo in comune. In pratica, si accende l’apparecchio, si inserisce il LED da provare che se “buono” lampeggia (nel caso di led multicolore i singoli diodi lampeggeranno in sequenza) e si osserva quale diodo di controllo rimane intermittente. Se si tratta del rosso, abbiamo inserito un LED ad anodo comune mentre il blu indica che l’elettrodo comune è il catodo (oppure che abbiamo inserito un LED a due terminali con polarità invertita rispetto al riferimento previsto). Ho cercato di agevolare l’interpretazione del risultato disegnando uno schema che comprende i connettori, le modalità di inserimento dei LED ed i diodi di controllo. Potrebbe essere utile tenerlo a portata di mano oppure stamparlo ed incollarlo sull”eventuale contenitore.
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Schema elettrico

Per ottenere un circuito che accenda in modo automatico un diodo LED (quindi un componente polarizzato) indipendentemente dal verso di collegamento e dall’elettrodo comune, l’idea che ha prevalso è stata alimentare il dispositivo in prova alternativamente con tensione positiva e negativa (rispetto all’elettrodo preso come riferimento). In uno dei due casi, se non è guasto, si deve accendere per forza! Volendo però limitare la fonte di energia ad una singola batteria, la tensione a disposizione è una sola.

Senza ricorrere a soluzioni “esotiche” (convertitori tipo ICL7660), per ricavare la tensione negativa ci viene in aiuto il circuito cosiddetto “Voltage Splitter” costruito attorno ad IC2, l’universale amplificatore operazionale TL081, configurato come “inseguitore di tensione”, il quale rende disponibile alla sua uscita un valore di tensione uguale a quello applicato al suo ingresso non invertente (+, pin3) e non variabile con il carico, almeno entro il limite di corrente (fornita o assorbita) dell’operazionale, nel nostro caso più che sufficiente, di una decina di mA . Questa tensione è pari alla metà esatta della tensione della batteria, essendo R10 ed R11 dello stesso valore. Da questo momento l’uscita dell’operazionale sarà per noi il riferimento di “massa virtuale” rispetto al quale disponiamo di una tensione duale, positiva di + 4,5V e negativa di – 4,5V con cui alimentare i nostri LED. A questo punto dovremo fare in modo che queste due tensioni arrivino alternativamente al LED e ci serviremo allo scopo dei versatili switch bidirezionali contenuti nell’integrato IC1 HEF4066BP. Questi si possono considerare dei veri e propri interruttori che si chiudono o si aprono a seconda del potenziale applicato ad un terzo elettrodo di comando. Possono commutare tensioni continue ed alternate, fino a frequenze considerevoli (erano utilizzati spesso in campo audio e video) ma con correnti limitate a pochi mA. Costruiti in tecnologia CMOS, richiedono una corrente di pilotaggio praticamente trascurabile, mentre l’elettrodo di comando risulta di fatto isolato dal carico. Dal datasheet, come per ogni componente, possiamo comunque ricavare tutti i parametri utili per comprenderne il funzionamento. Nel nostro circuito, IC1A ed IC1B si occupano di alimentare la resistenza R5 (che limita la corrente circolante nel LED in prova) con + o – 4,5V, a seconda di quale interruttore sia chiuso. Nell’integrato IC1 rimangono liberi due interruttori che, configurati come multivibratore astabile classico, forniscono il pilotaggio necessario. Sui piedini 11 e 8 troviamo infatti due segnali ad onda quadra in opposizione di fase.

Ciò significa che quando uno si trova a livello alto, l’altro è a livello basso e viceversa, realizzando così l’alternanza richiesta. Realizzare un multivibratore con tali componenti presenta il vantaggio (rispetto ai più usuali transistor bipolari) di ottenere fronti di salita e discesa più netti e ripidi, cioè segnali “più squadrati”, grazie all’elevata impedenza di pilotaggio ed al comportamento già da progetto simile ad un interruttore e non ad un dispositivo lineare. In circuiti di questo tipo la frequenza ottenuta è stabilita dai valori di resistenza e capacità, nello schema, R2 C3 e R3 C4. Il fatto che le coppie di valori siano uguali comporta che la durata del semiperiodo positivo sia uguale a quella negativa, si ottiene cioè il cosiddetto duty cycle del 50%. Nel nostro caso abbiamo: R2 = R3 = 1MΩ  e  C3 = C4 = 0,47µF. iLa formula seguente ci permette di calcolare la frequenza:

Questo significa, come vedremo meglio anche graficamente, che per circa 770 ms il LED è sottoposto ad una tensione positiva e per altrettanti ad una negativa. A questo proposito una considerazione è doverosa. Dai datasheet dei produttori di LED si apprende che la massima tensione inversa sopportata vale 5 Volt, nella maggior parte dei casi. Nel nostro caso arriviamo al massimo a 4,5 Volt, considerando la batteria carica e ignorando la caduta di tensione dovuta alla resistenza interna dello switch, quindi siamo in zona di sicurezza. Mi sento comunque di affermare che in anni di sperimentazione non mi è mai successo di “bruciare” un LED per tensione inversa, ma solo per eccesso di corrente diretta.

Tornando all’analisi del circuito, collegando a questo punto un LED a valle di R5 ed alla massa virtuale (come se fosse inserito in JP1), lo vedremo già lampeggiare, in qualunque verso sia connesso. Rimangono da gestire i LED “multipli”, BICOLORE o RGB. Qui ci serve qualcosa che colleghi alla solita massa, automaticamente ed in sequenza, i singoli diodi. Utilizziamo ancora gli ormai familiari switch integrati, tre come i tre colori da gestire (da due di questi tre sono derivati i collegamenti per JP2, per i due colori), pilotati però questa volta ciclicamente dalle uscite di un circuito contatore x 3 realizzato attorno al glorioso integrato 4017, IC3, che molti di voi ricorderanno nei circuiti con dieci LED che si accendono in sequenza. Usiamo solo le prime tre uscite (piedini 3, 2, 4) mentre la quarta (pin 7) è collegata al reset (pin 15) e fa in modo che dopo il terzo impulso il ciclo ricominci daccapo. Un circuito contatore ha bisogno normalmente del cosiddetto segnale di “clock”, una sequenza di impulsi in genere costante, che determina la velocità del cambio di stato delle uscite. Nel nostro caso, il clock, che è fornito ancora dal multivibratore, dal piedino 8 di IC1 arriva al terminale 14 di IC3. Riassumendo e semplificando, ad ogni ciclo del multivibratore si inverte la polarità applicata al LED in prova e si accende un colore diverso se presente. Vediamo per ultima, ma non meno utile, la parte relativa allo switch IC4D, ai due transistor e componenti relativi.

Questa sezione realizza in pratica un indicatore di polarità. Attraverso lo switch, una volta ogni tre per ciclo su comando del contatore,  la tensione ai capi del LED in prova raggiunge la base di un transistor e lo porta in conduzione, se supera la soglia determinata dal diodo zener e dal diodo tradizionale in serie. Questa tensione è di circa 4 Volt (3,6 V nominali per lo zener più la caduta diretta del diodo 1N4148 che a questi bassissimi livelli di corrente è inferiore ai tipici 0,7 V). Faccio l’esempio pratico: con un normalissimo LED rosso inserito in JP1, durante il “periodo positivo” abbiamo ai capi dello stesso la tipica caduta di circa 1,8 V del diodo in conduzione, transistor interdetto, LED di controllo spenti. Durante il periodo negativo, il LED non conduce  perché polarizzato inversamente da circa -4,5 V. Questa tensione però, attraverso i diodi, è sufficiente a mandare in conduzione Q2 (è un PNP) e ad accendere quindi il LED rosso di controllo, quello blu rimane spento (Q1 interdetto). Sull’altro ramo abbiamo un transistor NPN e la configurazione opposta dei diodi per cui se invertiamo la polarità del LED in prova, il processo si ripete al contrario. In questo modo, in base allo schema di Fig. 2 riusciamo a determinare la polarità dei terminali e quale sia quello comune. Per finire, R6 ed R9 sono le solite resistenze di limitazione di corrente dei LED mentre R7 ed R8 rendono netto il passaggio in conduzione e interdizione dei transistor. C1, C2, C6, C7 sono i “soliti” condensatori di disaccoppiamento che è buona pratica distribuire nel circuito, il più vicino possibile ai piedini di alimentazione degli integrati. Il circuito non risulta assolutamente critico, il prototipo ha funzionato perfettamente anche su breadboard con un cablaggio ignobile (di cui ometto la foto per pudore).
Potrebbe essere utile abbassare il valore di R5 (es. 390Ω) per aumentare la corrente e quindi la luminosità nel caso di prova di LED un po’ “duri”, oppure prevedere già un ponticello che permetta di scegliere tra due valori. Sconsiglio invece, per la questione già affrontata della tensione inversa, di alimentare il circuito con tensioni superiori a 9 V. Per tensioni inferiori (batteria semiscarica) ho constatato invece un regolare funzionamento fino ad almeno 7 Volt.

Tensioni e forme d’onda nel circuito

Può essere interessante osservare le tensioni e le forme d’onda presenti in alcuni punti significativi del circuito per verificare se, come dovrebbe essere, la teoria coincida con la pratica. Qui vediamo i segnali ad onda quadra di discreta qualità e correttamente in opposizione di fase sulle uscite del multivibratore, IC1, piedini 11 e 8. La frequenza di 1,45 Hz è abbastanza vicina a quella teorica restituita dalla formula, la differenza è probabilmente dovuta alla tolleranza dei condensatori. All’uscita degli switch (IC1, piedini 2, 3), che gestiscono la polarità della tensione, la stessa tensione passa correttamente e molto nettamente da + 4,69 V a – 4,59 V riferiti alla massa virtuale (linea verde). In figura si osserva la tensione su IC4, piedino 10, con LED rosso in prova. Si vede la caduta di tensione diretta Vf di +1,88 V sul diodo polarizzato correttamente e la tensione di -4,59 V con polarizzazione inversa ai capi del diodo, sempre riferita alla massa virtuale (linea verde). Qui invece si osserva la tensione sulla base del transistor Q2 con LED rosso in prova. Si vedono gli impulsi negativi a -731 mV che portano in conduzione il transistor PNP facendo lampeggiare il LED rosso di controllo. Le schermate sono state ottenute con USB-PC Scope PCSGU250 Velleman.

Considerazioni e conclusioni

Un particolare vincolo di progetto “autoimposto” è stato quello di utilizzare per la realizzazione componenti tradizionali (se non vintage), lasciando da parte, per una volta, Arduino & Co. Anch’io, lo ammetto, e per di più in età non giovanissima, mi sono appassionato alla programmazione dei microcontrollori AVR e PIC, alla prototipazione su breadboard, all’utilizzo intuitivo e piacevole dell’IDE di Arduino. Per chi ascoltava in casa da bambino un apparecchio radio “a valvole”, che un singolo chip meno costoso di un gelato sostituisca un numero incredibile di dispositivi discreti e che si possa definirne in dettaglio il funzionamento scrivendo righe di codice sul proprio PC, avendo come unico limite la fantasia, non è, mi scusino i più giovani, né scontato né tanto meno banale, come vorrebbero a volte farci credere i moderni “spacciatori” di tecnologia.

Detto questo penso anche che tornare ogni tanto a “rispolverare le basi” sia un esercizio utile e contenga anche un valore didattico per chi, anagraficamente più fortunato, abbia iniziato ad occuparsi di elettronica solo di recente. A mio parere, il grande vantaggio che abbiamo come appassionati autocostruttori, non vincolati alle leggi del mercato e dei grandi numeri, è di poter prendere e mescolare a piacere idee e tecnologie vecchie e nuove per ottenere un risultato che ci gratifichi, senza che tutto debba necessariamente essere sempre connesso o raggiungere i massimi livelli di integrazione e modularità. Penso sia bello che le nostre realizzazioni, anche le più semplici, siano comunque “pezzi unici”. Inoltre, per chi come me ha cassettini affollati di componenti ormai d’epoca, è una soddisfazione ulteriore riuscire a salvarli dall’oblio. In questo contesto rientra anche la realizzazione su basetta millefori che rimarrà, finché possibile, il mio metodo preferito per la realizzazione di un singolo prototipo ed un esercizio gratificante di manualità, pazienza e concentrazione.

Elenco componenti

R1, R43: 10 KΩ  1/4 W
R2, R33: 1 MΩ  1/4 W
R53: 470 Ω 1/4 W
R6, R93: 1,5 K Ω 1/4 W
R7, R83: 4,7 K Ω 1/4 W
R10, R113: 100 K Ω 1/4 W
C13: 220µF  16 V elettrol
C2,C5, C6,C73: 100nF ceramico
C3, C43: 470nF 63 V poliest.
D1, D43: 1N4148
D2, D53: 3,6 V 1/4 W Zener
Q13: BC550C o equiv. NPN
Q23: BC560C o equiv. PNP
D33: LED blu 3mm alta lum.
D63: LED ross 3mm alta lu
IC1, IC43: HEF4066BP
IC33: HCF4017BE
IC23: TL081P
SW13: Interruttore a slitta da PCB
BAT3: Batteria 9V con portabatteria
JP1, JP2, JP3: Contatti strip femm.
Varie3: Basetta millefori

GIOVANNI DI MARIA