Dalla tabella di fig.2 si evince che il LED rosso e quello verde risultano sempre in opposizione tra di loro durante il funzionamento normale per cui, generata la forma d’onda per il pilotaggio del LED verde, la forma d’onda che pilota il LED rosso si ottiene attraverso una operazione di complementazione svolta da un NOT.Il periodo totale di funzionamento è dato dalla somma dei tempi delle tre fasi: T = 45 sec.

Una specifica del problema chiede di iniziare il processo automaticamente dalla fase 1, ovvero con il LED verde acceso per 20 sec.

Il circuito risolutivo deve prevedere, pertanto, un multivibratore astabile avente periodo T = 45sec. con TH = 20sec. (durata della fase 1) e TL = 25sec. (somma delle durate delle fasi 2 e 3) che, all’accensione, porti la sua uscita al livello alto.In cascata all’astabile si deve prevedere un multivibratore monostabile con stato stabile uguale a zero in grado di fornire un livello alto di durata pari a 5sec. in modo da poter pilotare il LED giallo. Nella fase 2, però, deve risultare acceso anche il LED verde per cui il pilotaggio di tale LED deve avvenire attraverso la somma logica delle forme d’onda dell’astabile e del monostabile: 

V1 = A + G1

Il pilotaggio del LED rosso, come si è detto prima, avviene tramite la negazione di V1:

R1 = V1

In fig.3 si mostra lo schema a blocchi risolutivo che tiene conto anche del funzionamento di emergenza.

Fig.3 Schema a blocchi risolutivo del circuito semaforico proposto.

L’astabile 2 è un generatore di onde quadre di periodo 2sec. come vuole la specifica della fase 4.Il multiplexer impiegato consente di pilotare il LED giallo con la forma d’onda G1 durante il funzionamento normale e con la forma d’onda G2 durante il funzionamento di emergenza. 

Ipotizzando che I=ON significa interruttore chiuso, si ha, per il funzionamento normale:

I = 0 e quindi: B = 1;

Durante il funzionamento di emergenza si ha:

I = 1 e quindi: B = 0;

Per ottenere nei diodi LED in conduzione la circolazione di una corrente If di intensità pari a 5mA si premette che si intendono impiegare dispositivi logici appartenenti alla famiglia CMOS alimentata con +Vcc = +15V e che presentano VOH = 12V per IOH=5mA. Supponendo, inoltre, Vf = 2V per i LED accesi, si passa al dimensionamento della resistenza limitatrice di corrente RL.

RL = (VOH - Vf)/If = (12 - 2)/5 = 2K Ohm

In fig.4 si mostrano gli andamenti temporali delle linee A, G1, V1 e R1.

Fig.4 Andamenti temporali delle linee A, G1, V1 e R1.

Descrizione del multivibratore astabile 1 che genera la forma d’onda A. 

Dovendo impiegare dispositivi logici alimentati a singola alimentazione, si decide di progettare l’astabile 1 con un NOT a trigger di Schmitt poiché caratterizzato da uno schema elettrico alquanto semplice.Dovendo prevedere tempi distinti per il livello alto e basso si ricorre all’utilizzo di due rami resistivi unidirezionali in parallelo che impiegano diodi supposti ideali (Vd=0 se in conduzione, aperti se interdetti) secondo lo schema di fig.5. 

 Fig.5 Astabile a trigger di Schmitt per la generazione di onda rettangolare A con TH = 20sec. e T = 45sec.

Poiché i tempi da generare sono abbastanza elevati, si devono impiegare resistori di grande valore e questo ci impedisce l’uso di integrati della famiglia logica TTL.Il NOT a trigger di Schmitt da utilizzare, quindi, deve appartenere alla famiglia logica CMOS. Si decide di alimentare il circuito con Vcc = +15V per il quale valore le soglie di commutazione valgono:

 VT- = +5V, VT+ = +10V che corrispondono, rispettivamente, a Vcc/3 e 2Vcc/3.

Si suppone che il NOT sia ideale e quindi: VOH = +Vcc e VOL = 0.

Quando l’uscita VA è al livello alto, il condensatore si carica attraverso il ramo contenente il diodo D1 e la resistenza R1 con costante di tempo R1C.Quando l’uscita VA è al livello basso, il condensatore si scarica attraverso il ramo contenente il diodo D2 e la resistenza R2 con costante di tempo R2C.In fig.6 si mostrano gli andamenti temporali di VC e VA.

  Fig.6 Andamenti temporali di Vc e VA per l’astabile 1 di fig.5. 

Esaminiamo il caso del funzionamento a regime.

Durante il tempo TH l’uscita è al livello alto VAH = Vcc = 15V, la tensione sul condensatore parte dal valore VT- = Vcc/3; trascorso il tempo TH la tensione sul condensatore raggiunge il valore VT+ = 2Vcc/3 e l’uscita commuta al livello basso.Ricaviamo TH dalla formula:

con: vf = Vcc, vi = VT- , vc(t) = VT+ per t=TH.

Analogamente per calcolare il tempo TL si pone:

vf = 0, vi = VT+  , vc(t) = VT- per t=TL:

Il circuito consente l’uso di condensatori elettrolitici poiché l’armatura collegata all’ingresso del NOT è a potenziale sempre positivo. Fissando, quindi, C=100µF si ottiene: 

Si noti, infine, che, all’accensione, la fase 1 ha una durata leggermente maggiore di 20sec. poiché il condensatore, essendo inizialmente scarico, raggiunge il valore VT+ in un tempo T_O > TH : 

Se si desidera evitare che To > TH si può utilizzare la soluzione mostrata in fig.7.

Fig.7

Il valore di regime dell'anodo del diodo D è:  Vcc/3 = +5V con D sempre interdetto. All’accensione, invece, essendo Vc=0, D entra in conduzione portando quasi immediatamente il potenziale Vc al valore +5V. Infatti per Thevenin si ha: Veq=Vcc/3=+5V e Req=1K//0.5K=333 Ohm.  Il transitorio di carica da 0 a 5V si esaurisce dopo 5 costanti di tempo: 5x333 Ohm x100µF=0.165sec. e To, anziché 31.4sec., dura solo 20.165sec.

Se, passando dallo stato di emergenza al funzionamento normale, si desidera entrare nella fase 1, l’astabile 1 deve essere controllato dallo stato della linea logica I imposta dall’interruttore; infatti quando quest’ultimo è aperto (OFF) si ha: I=1 e si vuole che l’astabile 1 si predisponga come all’accensione, ovvero con Vc=0.
Una soluzione consiste nell’utilizzo di un interruttore che cortocircuiti a massa il condensatore C dell’astabile 1. Ciò può essere realizzato con un BJT NPN comandato dalla linea  B che si collega come in fig.8. 

Fig.8

Quando l’interruttore I va in OFF il BJT satura e Vc=0. I LED rosso e verde si spengono perché B=0 e quello giallo diventa intermittente perché il MUX lascia “passare” le onde dell’astabile 2. Quando l’interruttore ritorna in ON il BJT si interdice e l’astabile 1 riprende a funzionare come all’accensione, cioè partendo dalla fase 1.

Torna