Cosa sono i circuiti di temporizzazione RC (c.c.)

Introduzione

I circuiti di temporizzazione a resistenza-condensatore (RC) sono utili in innumerevoli applicazioni in corrente continua (c.c.) perché sono semplici e prevedibili. Le applicazioni pratiche comprendono la generazione di impulsi e la creazione di circuiti di ritardo e circuiti oscillatori, solo per citarne alcune. In linea di massima, la temporizzazione si ottiene utilizzando una resistenza che regola la velocità di carica/scarica di un condensatore. Un numero illimitato di combinazioni di resistenze/condensatori consente di ottenere una serie infinita di valori di temporizzazione, da microsecondi a minuti o addirittura ore tra cicli alti e bassi. I circuiti RC si basano sulla capacità del condensatore di far passare la corrente continua quando è scarico e di bloccarne una quantità crescente man mano che aumenta la sua carica. Un condensatore completamente carico blocca la corrente continua.

Funzionalità del circuito RC

Il calcolo della temporizzazione viene effettuato moltiplicando la resistenza per la capacità per ottenere una costante di tempo (T) che rappresenta il tempo necessario per caricare il condensatore al 63% della capacità. Durante la seconda costante di tempo (2T), viene caricato il 63% della capacità residua del 37%. Per caricare completamente un condensatore sono necessarie circa 5 costanti di tempo (5T).

La Figura 1 mostra lo schema di un circuito di reset RC. All'accensione del circuito, il RESET viene mantenuto basso finché il condensatore non si carica al livello di tensione necessario per terminare il reset. Premendo il pulsante (S1) si esegue un reset, ma si scarica anche rapidamente il condensatore. Quando si rilascia il pulsante, il reset viene nuovamente mantenuto basso finché il condensatore non si carica.

Figura 1: Circuito di RESET RC

Nota: è importante conoscere la soglia di tensione di ingressi come il reset. Se è inferiore al 63% di Vdd, la fine del reset avviene a 1T invece che con le costanti di tempo successive.

Temporizzazione RC asincrona su misura

I generatori di clock integrati sono di uso comune per mantenere perfettamente armonico il funzionamento di un circuito. Ma cosa succede se l'orologio deve "sincronizzarsi" con un input umano? Cosa succede se l'input è imprevedibile e altamente variabile, come il rapido azionamento manuale dei contatti di tasti o leve? La soluzione è un sistema di temporizzazione asincrono che risponde a un input casuale e poi "assume il controllo" per un certo periodo. Un circuito RC più complesso svolge facilmente questa funzione. È bene tenere presente che può essere difficile seguire e mantenere la catena degli eventi.

Questo esempio è tratto dal generatore di codice Morse originale di DigiKey, noto come Digi-Keyer. Per creare una forma d'onda unica, vengono utilizzati due circuiti RC e alcune porte logiche. Un circuito RC per il tempo ALTO e un altro per il tempo BASSO. Nel resto di questo blog spiegherò il circuito di temporizzazione nelle varie sezioni, fino ad arrivare al circuito intero. Partiamo da un inverter come segnale iniziale e da un semplice circuito RC, come illustrato nella Figura 2. La temporizzazione inizia quando viene premuto un tasto o una leva che determina un segnale ALTO sull'ingresso dell'inverter.

Figura 2: Generatore di impulsi RC; primo stadio

L'uscita dell'inverter è complementare all'ingresso. Quando l'ingresso è ALTO, l'uscita è BASSA e viceversa. A questo punto è evidente che l'inverter pilota l'uscita e il circuito RC non fa altro che caricarsi quando l'uscita dell'inverter è BASSA e scaricarsi quando è ALTA. Lo stadio successivo è fondamentalmente lo stesso circuito aggiunto in serie, come mostrato nella Figura 3.

Figura 3: Generatore di impulsi RC; secondo stadio

Quando l'uscita U1 è BASSA, anche l'ingresso U2 è BASSO finché C1 non è carico (blocco), causando una transizione ritardata dell'ingresso U2 da BASSO ad ALTO. A questo punto, C2 si carica quando l'uscita U2 è BASSA e si scarica quando l'uscita U2 è ALTA.

Lo stadio finale comprende un altro inverter, due porte NOR (U4, U5) e un pulsante momentaneo. L'uscita del gate NOR è ALTA solo quando entrambi gli ingressi sono BASSI. Vedere la Figura 4.

Figura 4: Generatore di impulsi RC; stadio finale

Premendo il pulsante si avvia la formazione dell'onda. Va notato che il circuito di temporizzazione è circolare, il che significa che una volta avviato, i circuiti RC continueranno a caricarsi e scaricarsi indefinitamente anche dopo il rilascio del pulsante. Per evitare che ciò accada, un circuito di retroazione da U4 a U5 arresta la temporizzazione dopo un ciclo completo, quando il pulsante viene rilasciato. Per consentire una temporizzazione continua, collegare l'uscita U3 direttamente a U1 o mantenere chiuso S1.

Conclusioni

La forma d'onda risultante viene utilizzata per ciclare una serie di flip-flop che formano i punti (DIT) e le linee (DAH) del codice Morse nel circuito del Digi-Keyer. Senza l'uso di cristalli o microcontroller, viene generato un impulso preciso e prevedibile utilizzando due circuiti di blocco RC che possono essere adattati per funzionare in un'ampia gamma di applicazioni.

Figura 5: Forma d'onda del generatore di impulsi RC

Risorse

Creazione di onde quasi sinusoidali da onde quadre

Come funziona il moderno Digi-Keyer

Aggiornamento del Digi-Keyer originale

Assemblaggio del Digi-Keyer

Come funzionano i flip-flop JK

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https://media.digikey.com/pdf/Project%20Repository/Digikeyer.zip