Come costruire un clap switch con NE555
Descrizione
Questo progetto è una luce temporizzata attivata da un battito di mani, realizzata attorno a un microfono a condensatore, un transistor BC547, un timer NE555 e un LED. Il microfono rileva il battito di mani, il transistor converte il debole segnale audio in un impulso di trigger adatto e l'NE555 mantiene il LED acceso per un periodo fisso di circa 11 secondi prima di spegnerlo automaticamente. Il circuito rappresenta un'ottima introduzione al rilevamento del suono, alla commutazione tramite transistor, ai segnali attivi bassi, alla temporizzazione RC e alla modalità di funzionamento monostabile dell'NE555.
Componenti necessari:
- 1x NE555
- 1x Condensatore ceramico da 100nF
- 1x Condensatore elettrolitico da 100uF
- 1x Transistor NPN BC547
- 1x Microfono a condensatore
- 1x Resistenza da 1kΩ
- 1x Resistenza da 100kΩ
- 1x Resistenza da 33kΩ
- 1x Resistenza da 220Ω
- 1x LED
Schema:
Come funziona:
Questo circuito funziona come un timer attivato dal suono. Un battito di mani viene rilevato dal microfono e convertito in un breve impulso elettrico. L'NE555 riceve questo impulso, accende il LED, lo mantiene illuminato per un tempo prestabilito e successivamente lo spegne automaticamente.
Lo stadio di ingresso è composto dal microfono a condensatore, dalla resistenza da 33k, dal transistor BC547 e dalla resistenza di collettore da 1k. Il suo scopo è rilevare il segnale molto debole prodotto dal microfono e trasformarlo in un chiaro segnale di trigger per il timer.
Il microfono a condensatore è un componente polarizzato che contiene un piccolo transistor interno. La resistenza da 33k fornisce al microfono la corrente di polarizzazione necessaria per funzionare e stabilisce anche la condizione operativa della base del BC547.
Quando l'ambiente è silenzioso, il microfono produce solo piccole variazioni di tensione. Quando si verifica un battito di mani, l'improvvisa pressione sonora genera una rapida variazione della tensione di uscita del microfono. Una variazione positiva sufficientemente forte aumenta la corrente che entra nella base del BC547.
Il BC547 è un transistor NPN collegato in configurazione a emettitore comune. Il suo emettitore è collegato a massa, mentre il collettore è collegato a VCC tramite la resistenza da 1k. Questa resistenza funge da carico di collettore e mantiene alta la tensione sul collettore quando il transistor non conduce.
Quando il battito di mani porta il BC547 in conduzione, la corrente scorre da VCC attraverso la resistenza da 1k, attraverso il percorso collettore-emettitore e verso massa. Di conseguenza, la tensione sul collettore scende rapidamente da HIGH a LOW.
Questa inversione è importante perché il pin 2, TRIGGER, dell'NE555 è attivo a livello basso. Pertanto, il transistor converte il segnale del microfono nel breve impulso negativo necessario per attivare il timer.
L'NE555 è configurato in modalità monostabile. Ciò significa che normalmente rimane in uno stato stabile, con l'uscita LOW, e produce un singolo impulso HIGH temporaneo ogni volta che riceve un trigger valido.
L'NE555 è alimentato tramite il pin 8, VCC, e il pin 1, GND. Il pin 4, RESET, è collegato direttamente a VCC affinché il timer rimanga permanentemente abilitato. Se il pin 4 venisse portato a LOW, l'uscita verrebbe forzata a spegnersi indipendentemente dagli altri segnali.
All'interno dell'NE555 sono presenti tre resistenze uguali che generano due tensioni di riferimento: circa 1/3 di VCC e 2/3 di VCC. Due comparatori interni utilizzano questi livelli per controllare un latch di memoria interno.
Nella condizione di riposo, l'uscita sul pin 3 è LOW, il LED è spento e il transistor interno di scarica collegato al pin 7 mantiene il condensatore di temporizzazione da 100uF scarico e vicino a zero volt.
Quando un battito di mani fa scendere il pin 2 al di sotto di circa 1/3 di VCC, il comparatore di trigger imposta il latch interno. L'uscita sul pin 3 diventa immediatamente HIGH e il transistor interno di scarica sul pin 7 si spegne.
Con il transistor di scarica spento, il condensatore da 100uF inizia a caricarsi da VCC attraverso la resistenza da 100k. La tensione ai capi del condensatore aumenta gradualmente anziché istantaneamente perché la resistenza limita la corrente di carica.
La tensione del condensatore viene monitorata dal pin 6, THRESHOLD. Quando questa tensione raggiunge circa 2/3 di VCC, il comparatore di soglia resetta il latch interno.
In quel momento, l'uscita sul pin 3 ritorna LOW, il LED si spegne e il transistor interno collegato al pin 7 si riaccende. Il pin 7 fornisce quindi un percorso a bassa resistenza verso massa, scaricando rapidamente il condensatore di temporizzazione e preparando il circuito per il successivo battito di mani.
La durata dell'impulso di uscita è determinata principalmente dalla resistenza di temporizzazione da 100k e dal condensatore di temporizzazione da 100uF secondo la formula.
Con i valori utilizzati in questo circuito la formula fornisce circa 11 secondi. Pertanto, dopo un battito di mani valido, il LED dovrebbe rimanere acceso per circa 11 secondi.
La durata reale potrebbe essere leggermente diversa perché i condensatori elettrolitici, come quello da 100uF, normalmente hanno tolleranze piuttosto ampie e possono essere influenzati anche dalla corrente di perdita, dalla temperatura e dalla qualità dei componenti.
L'uscita del pin 3 passa attraverso la resistenza da 220 ohm prima di raggiungere il LED. Questa resistenza limita la corrente del LED e protegge sia il LED sia lo stadio di uscita dell'NE555.
Il condensatore da 100nF collegato tra il pin 5, CONTROL VOLTAGE, e massa non fa parte della rete di temporizzazione da 11 secondi. Il suo scopo è filtrare il rumore elettrico presente sulla tensione di riferimento interna, riducendo le commutazioni indesiderate e migliorando la stabilità del timer.
Il percorso completo del segnale è quindi il seguente: il microfono rileva il battito di mani, il BC547 amplifica e inverte il segnale, il pin 2 attiva l'NE555, l'uscita accende il LED e la rete 100k–100uF determina per quanto tempo il LED rimane acceso.
Questo circuito non memorizza uno stato ON o OFF. Ogni battito di mani valido avvia un ciclo temporizzato temporaneo e il LED si spegne automaticamente quando tale ciclo termina.
Poiché lo stadio del microfono è molto semplice, la sua sensibilità può dipendere fortemente dalla tensione di alimentazione, dal modello del microfono, dal rumore ambientale e dalle tolleranze dei componenti. Per un funzionamento più affidabile si potrebbe aggiungere una regolazione della sensibilità o un comparatore con isteresi. Si consiglia inoltre di posizionare un condensatore di disaccoppiamento da 100nF vicino ai pin 8 e 1 dell'NE555.
Formula del tempo:
\( t = 1,1 × R × C \)
In questo progetto \(R\) è la resistenza da 100kΩ e \(C\) è il condensatore elettrolitico da 100uFSviluppi futuri:
Il circuito potrebbe essere convertito da rilevatore di battiti di mani temporizzato a vero interruttore controllato dal battito di mani collegando il suo impulso di uscita pulito a un T-latch. Un T-latch cambia il proprio stato di uscita ogni volta che riceve un impulso valido: il primo battito di mani accenderebbe l'uscita (ON), mentre il secondo la spegnerebbe (OFF). Un flip-flop di tipo D, come il CD4013, può essere configurato come circuito toggle collegando la sua uscita invertita al proprio ingresso D. L'uscita del latch potrebbe quindi controllare un relè tramite un transistor o un driver MOSFET, permettendo al primo battito di mani di eccitare il relè e al successivo di diseccitarlo. In questo modo il relè rimarrebbe nel proprio stato corrente indefinitamente, invece di spegnersi automaticamente dopo circa 11 secondi. È consigliabile collegare un diodo di ricircolo (flyback diode) ai capi della bobina del relè, e l'impulso generato dall'NE555 dovrebbe essere sufficientemente breve da garantire una sola commutazione per ogni battito di mani.