GX-TXT-v3: ProvaTelecomando IR – polarizzazione DC e verifica del timer

Oggi, come anticipato, ho verificato sul circuito del ProvaTelecomando il DC operating point, confrontando le tensioni misurate sulla PCB con quelle previste dalla simulazione.

Sono partito da qui:

Per rendere più leggibili le misure ho utilizzato, per i transistor principali, dei nomi più facilmente memorizzabili che richiamano anche il loro ruolo nel circuito, invece di riferirmi continuamente alle sole sigle Q3, Q4, Q5 e così via.

Non ho ovviamente misurato in questa fase le sezioni del circuito che entrano in funzione soltanto durante il transitorio generato dalla ricezione del segnale IR. Queste verranno analizzate successivamente durante la caratterizzazione dinamica.

Confronto tra simulazione e misure DC

La tabella seguente confronta i valori del punto di lavoro ottenuti in simulazione con quelli misurati sulla GX-TXT-v3. Lo scostamento è calcolato come differenza tra valore misurato e valore simulato.

Nel complesso i valori misurati risultano molto vicini a quelli previsti dalla simulazione. Lo scostamento maggiore si osserva sulla base di QBUF1, mentre sugli altri nodi le differenze rimangono generalmente dell’ordine dell’1-2% o inferiori.

Sul nodo base di QBUF1 vale però la pena di fare una precisazione.

La base di QBUF1 è polarizzata da un partitore ad alta impedenza, R8 da 1 MΩ e R9 da 470 kΩ, che presenta al nodo una resistenza equivalente di circa 320 kΩ. È l’unico punto tra quelli misurati in cui l’impedenza di sorgente non è trascurabile rispetto all’impedenza di ingresso di un multimetro.

Ho quindi ripetuto la simulazione aggiungendo una resistenza da 10 MΩ verso massa su quel nodo, per rappresentare il carico introdotto dallo strumento durante la misura. In queste condizioni LTspice fornisce 2,785 V, contro i 2,773 V misurati sulla PCB con una differenza residua di 12 mV.

Lo scostamento osservato sulla base di QBUF1 sembra quindi dovuto principalmente al carico del multimetro e non a una reale differenza tra circuito e simulazione. Per affermarlo con certezza andrebbe però verificata l’impedenza di ingresso effettiva dell’Owon XDM2041 sulla portata utilizzata, che al momento non ho controllato sul manuale. Lascio quindi il punto aperto per una verifica successiva.

Su tutti gli altri nodi misurati l’impedenza di sorgente è di qualche kΩ e l’effetto del carico dello strumento è trascurabile, quindi la questione non si pone.

Alimentazione e controllo della batteria

Un aspetto da tenere presente nel confronto tra simulazione e circuito reale è che la GX-TXT-v3 non utilizza un’alimentazione regolata. Durante queste prove la scheda è stata alimentata direttamente dall’alimentatore da banco, impostato intorno ai 9 V.

È quindi normale attendersi un piccolo spostamento delle polarizzazioni rispetto ai valori ottenuti in simulazione. D’altra parte questo comportamento è coerente con l’utilizzo previsto: il ProvaTelecomando è progettato per funzionare con una batteria da 9 V, la cui tensione varia inevitabilmente durante la scarica. Il circuito deve quindi mantenere punti di lavoro sufficientemente stabili anche in presenza di una tensione di alimentazione non perfettamente costante.

Controllo della tensione della batteria e LED verde

Sul LED verde di accensione ho inserito volutamente uno Zener D1. Lo scopo è evitare che il LED continui ad accendersi normalmente quando la tensione della batteria è ormai troppo bassa.

Anche su questa parte del circuito ho confrontato simulazione e misura reale. La tensione sullo Zener risulta pari a 6,21 V in LTspice e 6,26 V sul circuito reale.

Sul nodo superiore del LED verde, cioè dopo la resistenza R6, la simulazione fornisce invece 8,249 V, mentre sulla PCB ho misurato 8,556 V. La tensione misurata ai capi del LED risulta quindi circa:

V_LED = 8,556 V – 6,26 V = 2,296 V

Poiché R6 = 680 Ω ed è una resistenza con tolleranza dell’1%, possiamo anche stimare abbastanza bene la corrente che attraversa il LED verde. Con VCC misurata pari a 8,982 V, la caduta su R6 è:

V_R6 = 8,982 V – 8,556 V = 0,426 V

e quindi:

I_LED = 0,426 V / 680 Ω ≈ 0,626 mA

Tenendo conto della sola tolleranza dell’1% di R6, la corrente risulta compresa indicativamente tra 0,620 mA e 0,633 mA.

La corrente reale del LED risulta quindi inferiore a quella prevista dalla simulazione, pur mantenendo praticamente invariata la tensione dello Zener. La differenza è legata soprattutto al diverso punto di lavoro del LED reale rispetto al modello utilizzato in LTspice.

Naturalmente non si tratta di una soglia rigida come quella che si otterrebbe utilizzando un comparatore. La luminosità del LED diminuisce progressivamente al diminuire della tensione della batteria, secondo le caratteristiche reali dello Zener e del LED stesso.

Lo scopo del circuito è semplicemente fornire un’indicazione pratica dello stato della batteria. Nelle prove effettuate, con una tensione VBAT di circa 8,3 V, il LED verde, pur potendo essere ancora attraversato da una corrente molto piccola, risulta per i miei occhi praticamente invisibile. Una batteria arrivata a questo livello viene quindi segnalata, di fatto, come non più sufficientemente carica per il normale utilizzo dello strumento.

Assorbimento di corrente

Ho misurato anche la corrente assorbita dalla scheda nei diversi stati di funzionamento. Per farlo ho interrotto la linea VBAT e inserito il multimetro in serie, utilizzandolo come amperometro.

In questa fase non avevo ancora collegato né il fotodiodo reale né il fotodiodo virtuale. Per provocare l’accensione del LED arancio ho semplicemente sfiorato con un dito il pin header collegato al nodo VIR.

VIR è un nodo ad alta impedenza e l’accoppiamento capacitivo introdotto dal corpo è sufficiente a generare un disturbo che viene amplificato dalla catena del ricevitore fino a provocare l’accensione del LED arancio. In questo caso non si tratta ovviamente di una prova funzionale del ricevitore IR, ma soltanto di un modo semplice per portare il circuito nello stato di massimo assorbimento.

L’assorbimento passa quindi da circa 0,7 mA a circuito spento a circa 8,8 mA durante il normale funzionamento, comprendendo il LED verde e le correnti di polarizzazione dei vari stadi. Quando viene attivata anche la catena che porta all’accensione del LED arancio, l’assorbimento complessivo sale a circa 19 mA.

Anche per l’assorbimento di corrente ho confrontato le misure effettuate sulla scheda reale con quanto previsto dalla simulazione LTspice. Nel grafico la corrente compare con segno invertito durante l’assorbimento; si tratta semplicemente della convenzione utilizzata dal simulatore. Nella tabella riporto quindi i valori in modulo.

Nei due stati di funzionamento i valori misurati sono quindi abbastanza coerenti con la simulazione. Con il LED verde acceso e gli stadi polarizzati misuro 8,8 mA contro i 9,33 mA previsti da LTspice; quando si accende anche il LED arancio l’assorbimento complessivo sale a 19 mA, contro circa 19,7 mA ottenuti in simulazione.

Rimane invece da capire l’origine dei circa 0,7 mA misurati a circuito spento, mentre la simulazione prevede un assorbimento praticamente nullo.

Una verifica importante è che, in questa condizione, con il LED verde spento e il sistema non eccitato, ho misurato VCC = 0 V. La parte principale del circuito risulta quindi effettivamente disalimentata e rimane collegata direttamente a VBAT soltanto la rete che gestisce l’accensione.

Tra le zone da verificare rimane quindi la rete attorno al MOSFET Q1 e a Q2, compresa la sua resistenza di base/pull-down, oltre naturalmente alle possibili correnti di dispersione dei componenti reali. Non ho però al momento elementi sufficienti per attribuire con certezza a uno di questi percorsi i 0,7 mA misurati.

Il valore potrebbe inoltre risentire anche delle caratteristiche del multimetro NIMEX NI-4000 utilizzato per la misura. Preferisco quindi riportarlo come dato sperimentale, senza attribuirgli per ora una causa che non ho verificato.

Verifica del timer di accensione

Ho verificato anche la durata del timer che mantiene alimentato il ProvaTelecomando dopo la pressione del pulsante.

La rete di temporizzazione utilizza un NE555 con R = 1,8 MΩ e C = 10 µF. Riporto qui semplicemente lo schema utilizzato nella simulazione.

Il timer è alimentato da VCC e non direttamente da VBAT. Quando il circuito viene spento viene quindi tolta alimentazione anche al NE555 e alla sua rete di temporizzazione, riportando il sistema allo stato iniziale.

In simulazione LTspice ho misurato con i cursori una durata dell’impulso di uscita pari a 19,84 s, sostanzialmente coincidente anche con il valore nominale atteso dalla rete RC.

Sul circuito reale ho scelto di non misurare direttamente il nodo TIMER. La resistenza di temporizzazione è infatti da 1,8 MΩ e anche una normale sonda 10×, con una resistenza di ingresso dell’ordine di 10 MΩ, avrebbe caricato in maniera non trascurabile la rete RC modificando proprio il tempo che volevo misurare.

Non disponendo di una sonda 100×, ho quindi misurato direttamente OUT_NE555: il fronte di discesa dell’uscita identifica comunque con precisione la fine della temporizzazione senza perturbare sensibilmente la rete RC.

L’acquisizione effettuata con l’oscilloscopio Rigol fornisce una durata di 20,6 s.

La differenza tra simulazione e misura reale è di 0,76 s, pari a circa il 3,8%. Considerando le tolleranze dei componenti reali, in particolare del condensatore da 10 µF, considero quindi la temporizzazione misurata pienamente coerente con quella prevista.

Principali differenze tra V1 e V3

Prima di passare alle misure dinamiche vale la pena riassumere brevemente le principali differenze tra la GX-TXT-v1 e la nuova GX-TXT-v3.

La prima modifica riguarda il pulsante di accensione. Nella V1 avevo sbagliato il disegno dell’impronta; la footprint è stata quindi ridisegnata e nella V3 risulta finalmente corretta.

Nella V1 avevo inoltre montato alcuni valori resistivi leggermente diversi da quelli utilizzati nella V3, semplicemente perché al momento non avevo disponibili tutti i valori previsti dal progetto:

• R11 e R17: 51 kΩ nella V1, 56 kΩ nella V3;
• R9: 464 kΩ nella V1, 470 kΩ nella V3;
• R7, sul nodo VIR: 49,9 kΩ nella V1, 51 kΩ nella V3.

Ho inoltre sostituito C12, che nella V1 era un normale condensatore elettrolitico, con un condensatore al tantalio.

Nella V3 è stato poi inserito C13, che nella prima revisione era stato omesso. Non è un componente fondamentale per il funzionamento della scheda, ma la presenza di un ulteriore condensatore ceramico sull’alimentazione in ingresso non può che aiutare, e mi aspetto che possa contribuire anche ad ottenere misure più pulite.

La modifica più evidente del PCB è però l’introduzione del piano VPOWER, assente nella V1. Ho evitato volutamente di portarlo nella zona del nodo VIR e del partitore che polarizza QBUF1, dove sono presenti impedenze elevate e quindi una maggiore sensibilità agli accoppiamenti indesiderati. In quella zona ho preferito utilizzare massa e numerose via di stitching.

La V1 comunque funziona bene ed è già stata caratterizzata, quindi non mi aspetto grossi problemi dalla V3.

Le vecchie PCB resteranno inoltre utili per alcune prove successive: in particolare voglio utilizzarle per confrontare il comportamento del circuito con fotodiodi differenti.

Strumenti utilizzati

Riporto la strumentazione usata per le misure descritte in questo post.

Prossimo passo: fotodiodo virtuale e misure in transiente

A questo punto la parte statica della GX-TXT-v3 risulta coerente con quanto previsto: le polarizzazioni DC tornano con la simulazione, gli assorbimenti sono plausibili e la temporizzazione del NE555 è molto vicina al valore atteso.

Nel prossimo post passerò quindi alla parte che entra realmente in gioco quando arriva un segnale IR.

Per farlo utilizzerò il fotodiodo virtuale, che mi permette di iniettare nel circuito un segnale noto e ripetibile senza dipendere, almeno in questa fase, dalle caratteristiche di un fotodiodo reale o dalle condizioni di illuminazione.

Prima delle misure darò qualche indicazione su cosa mi aspetto di osservare nei nodi principali del circuito e sui valori ricavati in simulazione. Successivamente passerò alle misure in transiente, seguendo il segnale lungo la catena di amplificazione fino alla rete di HOLD e all’accensione del LED arancio.