impianto semaforico per utenti non vedenti

Ogni lampada semaforica quando accesa già emette la propria luce colorata di segnalazione; non

rimane che utilizzare sapientemente questo supporto fisico su cui far viaggiare anche

l’informazione corrispondente.

In pratica la lampada accesa emetterà luce colorata opportunamente modulata; gli occhi delle

persone vedenti riusciranno a percepire solo la luce colorata, mentre il RICEVITORE in dotazione

alla persona non vedente capterà l’informazione in essa contenuta convertendola in segnale audio.

Per ottenere questo scopo, il dispositivo più idoneo per generare una sorgente di luce colorata

modulabile è il LED.

Questo componente è un semiconduttore che al passaggio di debole corrente sviluppa una

emissione luminosa primaria ad una determinata lunghezza d’onda (quella che ne definisce il

colore); il LED oltre ad avere un ciclo di vita di moltissimi anni, riesce a trasformare in luce quasi

tutta l’energia che gli si fornisce, attuando anche un considerevole risparmio energetico.

Nel settore dell’illuminazione sempre più numerosi sono gli

apparecchi illuminanti realizzati con questo sistema, e alcune

società già commercializzano lampade semaforiche realizzate a

LED (vedi foto), esaltando i pregi di questi innovativi prodotti.

Il nostro progetto vuole aggiungere una funzionalità in più a

questa moderna tecnologia, applicabile e implementabile in

diversi ambiti del vivere quotidiano (semafori, mezzi di trasporto,

ecc.); in modo che qualsiasi insegna o scritta luminosa oltre a

indicare o illuminare, possa diffondere utili informazioni a chi

purtroppo la luce non la può più apprezzare.

Lampada semaforica a LED

TEORIA FUNZIONALE

Il LED ha una emissione luminosa a una determinata lunghezza d’onda definita costruttivamente e

non modificabile (varierebbe il colore della luce).

Ideare pertanto dei circuiti che operino direttamente sulla portante luminosa analogamente a quello

che avviene per le onde radio sarebbe arduo o controproducente.

Pertanto per concepire un sistema di trasferimento di informazioni su portante ottica, ci si è avvalsi

di un sistema molto semplice ed economico, ovvero la creazione di sottoportante a 455KHz

modulata in frequenza tramite segnale audio analogico.

In pratica la sottoportante a 455KHz viene creata modulando in ampiezza al 100% l’emissione

luminosa del LED, questo accorgimento risulta molto utile per riuscire a realizzare un ricevitore

ottico molto selettivo sulla suddetta frequenza, in modo che qualsiasi altra sorgente luminosa non

possa causare interferenze.

L’informazione da trasferire composta semplicemente da un segnale audio analogico

memorizzato, va a modulare in frequenza la sottoportante a 455KHz ottenendo una buona fedeltà

e discreta immunità ai disturbi. 3

TRASMETTITORE – BLOCCHI CIRCUITALI

Il trasmettitore è composto dai seguenti blocchi circuitali:

A) circuito ad alta tensione per alimentazione corpo illuminante

B) elemento di emissione luminosa costituito da n° 100 LED

C) circuito di comando per pilotaggio LED

D) circuito generatore portante, comparatore frequenza campione e modulatore

E) memoria con audio digitatale e convertitore D/A

F) circuito di controllo e indirizzamento memoria

G) circuiti per la generazione e stabilizzazione tensione di alimentazione circuiti logici (5 V.)

A) Il circuito per l’alimentazione dei LED è costituito da un induttore di filtro (L1) un ponte

raddrizzatore (P1) e dal condensatore elettrolitico ad alta tensione (C1); su quest’ultimo è

disponibile una tensione continua livellata a circa 310 V.

Un buon filtraggio (100µF 400V) è necessario per evitare ripple residuo di rete che potrebbe

produrre una modulazione in ampiezza indesiderata sul carico (LED).

B) L’elemento di emissione luminosa è composto da N° 100 LED ad alta intensità collegati tutti

in serie; la corrente media di 20mA. opportunamente limitata da R8 consente una elevata

resa illuminante e un notevole risparmio sul consumo totale.

C) Il pilotaggio dei LED avviene tramite un transistor (T3) di piccola potenza ma caratterizzato

da una elevata Vceo; dovendo operare in commutazione sul carico a 310V.

D) Per la generazione della frequenza di portante, il controllo di stabilità e la sua modulazione è

stato utilizzato il circuito CMOS CD4046 con funzione di VCO e PLL (IC4). ∆F

Tramite C14 R30 R29 si imposta la frequenza di lavoro del VCO e il range per il voluto.

Il comparatore di fase serve per confrontare un preciso riferimento in frequenza generato da

un oscillatore fisso a 455KHz con la portante generata dal VCO in modo da tenerlo

agganciato tramite il segmento di integrazione/reazione costituito da R28 e C15.

Il segnale audio proveniente da C12 e regolato da P1 entra direttamente in ingresso al VCO

per modulare in frequenza la portante con la percentuale desiderata.

E) Il segnale audio per la modulazione si ottiene con l’estrazione dell’intero contenuto di una

memoria EPROM (IC3) dove è stato preventivamente memorizzato in formato digitale il

messaggio desiderato.

La conversione digitale/analogica del contenuto della memoria si ottiene con un semplice ed

economico circuito D/A realizzato in configurazione R/2R (R12 ÷ R20) e filtro integratore

(C13).

F) Per l’indirizzamento parallelo della memoria sono stati utilizzati 2 contatori CMOS CD4060 –

CD4040 (IC1 – IC2) in cascata per ottenere il numero di uscite necessarie; il clock per

l’avanzamento dei contatori è ricavato dall’oscillatore quarzato a 455KHz presente nel primo

(lo stesso utilizzato per fornire il riferimento in frequenza al VCO).

G) Per l’alimentazione a 5V dei circuiti di controllo si poteva utilizzare un comune alimentatore a

trasformatore o switching.

Lo spazio esiguo disponibile all’interno della lampada e ragioni di economicità circuitale ci

hanno fatto optare per un’astuta soluzione ibrida; ricavare l’alimentazione a 5V direttamente

dalla corrente che transita nel ramo del carico.

Infatti l’emettitore del transistor (T3) che controlla il carico, non è collegato come di consueto

a massa, ma si chiude sul gruppo di alimentazione C3 - C4 - DZ1 in modo che il flusso di

corrente circolante nei LED (20mA) venga proficuamente accumulato e utilizzato per

alimentare la circuiteria logica. 4

TRASMETTITORE - SCHEMA ELETTRICO 5

TRASMETTITORE - ELENCO COMPONENTI

RESISTORI

R1 470K ¼ W R16 12K ¼ W

R2 220K ½ w R17 12K ¼ W

R3 1.8K ¼ W R18 12K ¼ W

R4 10K ¼ W R19 12K ¼ W

R5 100K ¼ W R20 12K ¼ W

R6 10K ¼ W R21 6K ¼ W

R7 10K ¼ W R22 6K ¼ W

R8 2.7K 3 W R23 6K ¼ W

R9 10M ¼ W R24 6K ¼ W

R10 100K ¼ W R25 6K ¼ W

R11 100K ¼ W R26 6K ¼ W

R12 12K ¼ W R27 6K ¼ W

R13 12K ¼ W R28 10K ¼ W

R14 12K ¼ W R29 18K ¼ W

R15 12K ¼ W R30 100K ¼ W

CONDENSATORI

C1 100µF 400 V elettrolitico C9 0.1µF 25 V ceramico

C2 0.1µF 50 V ceramico C10 0.1µF 25 V ceramico

C3 100µF 16 V elettrolitico C11 0.1µF 25 V ceramico

C4 0.1µF 25 V ceramico C12 0.1µF 25 V ceramico

C5 33pF 25 V ceramico C13 10nF 25 V ceramico

C6 33pF 25 V ceramico C14 100pF 25 V poliestere

C7 0.1µF 25 V ceramico C15 10µF 25 V elettrolitico

C8 0.1µF 25 V ceramico

DIODI

D1 1N4007

D2 1N4007

W1 700 V. – 1 A. PONTE RETIFICATORE

DZ1 5V1 - 500mW ZENER

DL1/100 LED 5mm. N. 100 LED - 30° ad alta efficien za

TRANSISTOR

T1 BC 547

T2 BC 547

T3 MPSA 44 NPN HIGH VOLTAGE

CIRCUITI INTEGRATI

IC1 CD 4060 counter CMOS

IC2 CD 4040 counter CMOS

IC3 TMS 27C128 EPROM – 16K x 8

IC4 CD 4046 PLL CMOS

VARIE

L1 4.7 mH INDUTTANZA FILTRO

Q1 CSB 455 E RISONATORE CERAMICO 455KHz

P1 10K POTENZIOMETRO LINEARE 6

TRASMETTITORE - ELEMENTI COSTITUENTI LA LAMPADA

elemento illuminante

circuito di controllo 7

RICEVITORE – BLOCCHI CIRCUITALI

Il ricevitore è composto dai seguenti blocchi circuitali:

A) sensore fotopin diodo sensibile allo spettro visibile

B) filtraggio segnale con circuito risonante e primo stadio di amplificazione

C) secondo stadio amplificatore e adattatore impedenza per filtro ceramico a banda stretta

D) terzo stadio per amplificazione accoppiamento comparatore di fase

E) circuito demodulatore audio

F) amplificatore audio di bassa frequenza

G) auricolare

A) L’elemento sensibile alla luce costituito da un fotopin diodo in grado di rivelare segnali

luminosi su tutto lo spettro visibile, è stato collocato in un apposito tubetto metallico

schermato posizionato direttamente vicino all’auricolare.

In questo modo la persona non vedente, movendo leggermente il capo può orientare

facilmente il dispositivo per catturare il segnale proveniente dalla sorgente desiderata.

Il sistema ha un comportamento decisamente direttivo proprio per evitare di ricevere

informazioni ingannevoli provenienti dalle altre lampade semaforiche posizionate nelle

vicinanze.

B) Il segnale ricevuto dal sensore ottico viene inviato al circuito risonante di ingresso (T1) che

provvede a eliminare tutti i segnali provenienti da altre fonti luminose con componenti di

portante diverse da quella utilizzata (455KHz).

Un primo stadio a transistor amplifica adeguatamente anche i più piccoli segnali.

I tre dispositivi di ingresso (sensore, filtro e 1° stadio) sono stati posizionati vicini,

debitamente schermati e separati dal resto del circuito per evitare eventuali interferenze e

possibili inneschi dovuti alla catena di amplificazione.

C) Tramite cavetto schermato, Il segnale giunge all’apparato portatile per essere ulteriormente

amplificato, e opportunamente adattato, passa attraverso un filtro ceramico (F1) a banda

stretta a 455KHz (del tipo solitamente utilizzato nei circuiti di media frequenza dei ricevitori

radio) che attua un ulteriore filtraggio.

D) Un ultimo stadio di amplificazione serve per ottenere un livello di segnale sufficiente per

essere inviato al circuito di demodulazione della portante.

E) Per l’estrazione della componente audio è stato impiegato il circuito integrato CMOS

CD4046 (IC1) utilizzato come demodulatore.

Al suo interno è anche presente uno diodo zener per la stabilizzatore della tensione di

alimentazione, utile ad ottenere linearità e stabilità funzionale col variare della tensione di

batteria.

F) Il segnale in uscita al demodulatore viene inviato opportunamente disaccoppiato

all’amplificatore audio composto dal circuito integrato LM386 (IC2) per una adeguata

amplificazione sonora.

Il livello del volume in uscita può essere impostato a piacere tramite il potenziometro (P1).

G) L’auricolare monoaurale dotato di pratica clip anatomica, riproduce i messaggi audio ricevuti

dal dispositivo. 8

RICEVITORE - SCHEMA ELETTRICO 9

RICEVITORE - ELENCO COMPONENTI

RESISTORI

R1 1K ¼ W R11 470K ¼ W

R2 470K ¼ W R12 100 ¼ W

R3 100 ¼ W R13 4.7K ¼ W

R4 4.7K ¼ W R14 56K ¼ W

R5 220K ¼ W R15 18K ¼ W

R6 220K ¼ W R16 10K ¼ W

R7 100 ¼ W R17 47K ¼ W

R8 1.5K ¼ W R18 10K ¼ W

R9 2.7K ¼ W R19 10 ¼ W

R10 470K ¼ W R20 470 ¼ W

CONDENSATORI

C1 0.1µF 25 V ceramico C13 4.7nF 25 V ceramico

C2 0.1µF 25 V ceramico C14 0.1µF 25 V ceramico

C3 0.1µF 25 V ceramico C15 1nF 25 V ceramico

C4 0.1µF 25 V ceramico C16 56pF 25 V ceramico

C5 1nF 25 V ceramico C17 0.1µF 25 V ceramico

C6 0.1µF 25 V ceramico C18 220pF 25 V ceramico

C7 0.1µF 25 V ceramico C19 10µF 16 V elettrolitico

C8 100pF 25 V ceramico C20 47nF 25 V ceramico

C9 0.1µF 25 V ceramico C21 0.1µF 25 V ceramico

C10 0.1µF 25 V ceramico C22 220µF 16 V elettrolitico

C11 150pF 25 V ceramico C23 100µF 16 V elettrolitico

C12 0.1µF 25 V ceramico C24 47µF 16 V elettrolitico

DIODI

D1 BPW 24 VISIBLE PHOTO PIN DIODE

DL LED 3mm ROSSO

TRANSISTOR

T1 BC 817

T2 BC 547

T3 BC 547

CIRCUITI INTEGRATI

IC1 CD 4046 PLL CMOS

IC2 LM 386 AMPLIFICATORE AUDIO

VARIE

TR1 AM3 BOBINA ACCORDO CIRCUITO RISONANTE 455 KHz

F1 CFW455D FILTRO CERAMICO 455 KHz (narrow band)

P1 50K POTENZIOMETRO LINEARE

AP 8 / 32 Ohm ALTOPARLANTE / CUFFIA

SW SWITCH INTERRUTTORE ACCENSIONE 10

RICEVITORE

circuito elettronico del ricevitore

assieme ricevitore – auricolare 11