Utilizzare Blender per l’elettronica (terza parte)

001

Questa terza ed ultima puntata della serie affronta la realizzazione di un progetto semplice, completo e funzionante, assieme alla produzione del prototipo finale in 3D, con l'ausilio del programma tridimensionale Blender. Un semplice oscillofono audio è l'oggetto dell'articolo che segue.

Un oscillofono è uno strumento capace di generare una nota acustica a bassa frequenza, udibile in cuffia o in altoparlante. Esso è spesso utilizzato per apprendere il codice telegrafico Morse. In elettronica, la produzione di una nota acustica può avvenire in svariati modo e secondo diverse metodologie, ma tutti hanno alla base una caratteristica in comune: l'utilizzo della retroazione positiva. Si tratta, in effetti, di un oscillatore che funziona grazie al fatto che il segnale amplificato in uscita è riportato all'ingresso mediante un anello chiuso, instaurando in tal modo un'oscillazione infinita. La tipologia RC del circuito fornisce una alta semplicità realizzativa unita alla facilità di variazione dei parametri di funzionamento (frequenza).

Un oscillofono può servire a tanti scopi diversi. Oltre all'obbiettivo didattico per imparare l'alfabeto Morse, può costituire la base per la realizzazione di strumenti musicali. Oppure ancora può rappresentare uno strumento per la ricerca dei guasti negli apparecchi radio o, ancora, per determinare la base dei tempi negli apparecchi digitali. Insomma tante funzionalità per un apparecchio realmente semplice e di sicuro funzionamento.

Oscillatore con CD40106

Tra le tansissime soluzioni esistenti si è pensato di realizzare l'oscillatore utilizzando l'invertitore triggerato CMOS 40106. Questa soluzione permette di utilizzare un solo inverter e risparmiare, dunque, sul numero delle porte impiegate. Inoltre esso può essere alimentato con una tensione compresa tra 5 Volt e 18 Volt. Il prototipo qui presentato prevede una alimentazione elettrica di 5 Volt e la formula utilizzata per i calcoli della frequenza (riportata di seguito) tiene conto di tale tensione TTL compatibile.

Il circuito è molto semplice: una porta NOT (triggerata) è indotta all'oscillazione riportando all'ingresso lo stato logico dell'uscita. Essa è opportunamente "ritardata" per la presenza della rete RC che, grazie alla intrinseca costante di tempo introdotta, fissa la frequenza ai valori desiderati e calcolati.

La frequenza operativa è variabile per opera del potenziometro RV1, che consente una escursione compresa tra 450 Hz e 15 Khz. Si possono ottenere valori decisamente diversi agendo sia sul condensatore C1 sui resistori R1 e RV1. La forma d'onda ottenuta in uscita è decisamente un'onda quadra. Essa non è un segnale puro, anzi è ricco di armoniche superiori. Un'onda quadra è infatti la somma di infiniti segnali sinusoidali (armoniche) che sovrapponendosi tra loro producono la caratteristica forma. Un filtro in uscita provvederà a tagliare le frequenze superiori, consentendo di conservare solo la fondamentale in modo da ottenere una sinusuoide in uscita.

Le armoniche (di terza, quinta, settima e così via) anche se talvolta non udibili, degradano il segnale. Negli stadi di potenza di taluni circuiti, tali frequenze indesiderate possono saturare e surriscaldare inutilmente gli stadi finali, con inutile spreco di potenza attiva.

Il filtro

L'implementazione di un buon filtro in uscita, per un intervallo così esteso di frequenze, non è cosa semplice. Ad ogni modo si è deciso di "tagliare" quesi segnali maggiori di 20000 cicli. Due filtri passa basso in cascata, dalla attenuazione di 6dB per ottava cadauno, risolvono egregiamente il problema. Ovviamente, alle basse frequenze, esisteranno alcune armoniche superiori dispari. In questi casi si dovrebbe prevedere un filtro variabile e dinamico, ma ciò esulerebbe dalla filosofia dell'articolo. Il filtro utilizzato è una doppia cella a "L" di tipo RC. E' leggermente meno efficente del fratello maggiore di tipo LC ma non è soggetto ad alcun tipo di criticità, specialmente per quanto riguarda eventuali inneschi, reazioni e risonanze varie.

In basso è raffigurato lo schema completo dell'oscillatore abbinato alla doppia cella-filtro.

Lo schema sopra raffigurato è già sufficiente per pilotare una cuffia o un piccolo altoparlante. Si potrebbe, in alternativa utilizzare un piccolo sistema amplificato usando l'integrato LM386 o collegare un amplificatore esterno all'uscita dell'oscillatore.

E' consigliabile, all'uscita del circuito, collegare un piccolo consensatore elettrolitico da 4.7uF per separare, in continua, i circuiti amplificatori eventualmente connessi in cascata.

Il filtro in questione lavora bene su un oscillatore a frequenza fissa. Per quelli a frequenza variabile occorrerebbero filtri variabili. Quello dimensionato in questo progetto funziona molto bene alle frequenza maggiori di 8-10 Khz, ma per le basse frequenze esso è ininfluente. Chi dovesse, comunque, utilizzare lo schema proposto per produrre una sola frequenza ben determinata, può calcolare un filtro passa basso con una opportuna frequenza di taglio.

Calcolo della frequenza di oscillazione

Come qualsiasi grandezza in elettronica, anche la frequenza del circuito è regolata da ben precise formule matematiche, che tengono conto dei valori dei componenti utilizzati. In particolare, la frequenza di lavoro dell'oscillatore è determinata dai valori del condensatore C1 e dalle resistenze R1 e RV1, le quali vanno tranquillamente sommate come unico valore resistivo.

La formula per il calcolo della frequenza (in Hertz) è la seguente:

in cui il valore di "R" deve essere espresso in Ohm e di "C" in Farad. Ovviamente è necessario tenere conto della tolleranza dei componenti elettronici, specialmente dei condensatori, che può anche arrivare al 30%/40%.

Sbroglio

La connessione tra i componenti elettronici sul PCB, una volta, era effettuata manualmente. Per i circuiti molto complessi tale operazione era una vera e propria arte. Oggi, con i più moderni software CAE, lo sbroglio dei circuiti è un gioco da ragazzi, anche per le soluzioni estremamente complicate.

Non avendo specificato il programma da utilizzare, è possibile scegliere tra la miriade di soluzioni che il mercato dell'informatica mette a disposizione. Tra i CAE commerciali e gratuiti c'è letteralmente da perdersi. L'importante è che il programma utilizzato preveda un buon sistema di sbroglio ed una generazione del layout della disposizione dei componenti, in 2 dimensioni. Un buon programma di fotoritocco farà tutto il resto.

La presenza della disposizione dei componenti in 2D è importante per creare la serigrafia sul prototipo tridimensionale. Non è obbligatoria ma conferisce tanta qualità in più al lavoro finale.

Inoltre, quando si progetta un circuito eletttronico, di qualsiasi tipologia, occorre prevedere ed inserire nel progetto anche gli elementi "non presenti" nello schema elettrico come, ad esempio, la sorgente di alimentazione, i morsetti di uscita, ecc.

Sotto sono raffigurati rispettivamente il PCB (lato saldature) ed il layout della disposizione dei componenti, in seguito utili per la realizzazione della scena 3D.

 

 

Finalmente il prototipo 3D

Bene, è giunto il fatidico momento della preparazione (laboriosa) del modello 3D con il programma Blender. E' una operazione abbastanza lunga e faticosa ma, alla fine, regalerà sicuramente tante soddisfazioni. In campo professionale, poi, può costituire un valido supporto per accompagnare i propri progetti, aumentando il livello tecnico delle realizzazioni.

Si avvii il programma Blender e si utilizzi il cubo (creato per default) per la creazione del PCB. L'immagine della serigrafia ha le dimensioni di 400x400 pixel. Al di là delle misure assolute, le proporzioni sono quelle di un quadrato, pertanto occorre tenere conto di ciò, per il dimensionamento del PCB. L'altezza può essere ridotta al fine di ottenere una piastra alquanto bassa e sottile.

Una volta approntata la primitiva solida, si può applicare la texture della serigrafia sulla faccia superiore. L'effetto iniziale è sorprendente. Se lo si desidera, è possibile attribuire una piccolissima percentuale di riflettenza alla piastra, per incrementare il realismo, anche se ciò comporta un leggero rallentamento in fase di rendering.

Adesso inizia il lavoro vero e proprio: la creazione ed il posizionamento dei componenti elettronici. Dal momento che essi sono creati ex novo, il progettista ha piena libertà sulla fantasia del loro design.

Le resistenze

Come spiegato nel precedente articolo, la realizzazione dei resistori non comporta problemi di sorta, ma per risultare il più possibile realistici devono possedere quelle curvature che questi componenti hanno nella loro struttura. Un cilindro opportunamente deformato ed estruso riesce bene a far raggiungere l'obbiettivo. In aggiunta, alcune facce circolari devono essere opportunamente colorate per la costituzione dei tre anelli cromatici che indicano il valore ohmico del componente.

Infine, l'utilizzo dei reofori conclude egregiamente la fase di creazione. Il componente, una volta creato può essere copiato per il numero di elementi necessari.

Per evitare ogni volta la creazione dei componenti, il progettista può costruirsi una libreria di oggetti, in modo che essi possano essere facilmente richiamati all'occorrenza. Si consiglia di effettuare l'esportazione e l'importazione delle forme nel formato OBJ oppure 3DS. Si tratta di estensioni molto comuni e tanto utilizzate in qualsiasi programma di grafica tridimensionale.

Anche il posizionamento degli stessi deve avvenire in modo che essi si allineino perfettamente alla struttura del layout.

I condensatori in poliestere

La creazione di questa tipologia di componenti è abbastanza semplice, in quanto si basa sull'utilizzo di primitive solide, leggermente modificate. Un cubo scalato e ruotato opportunamente conferisce al consensatore un risultato grafico molto gradevole. Se poi si aggiungono componenti testuali, come il valore capacitivo, la realisticità aumenta a dismisura. Per evitare la "spigolosità" netta del cubo, è possibile utilizzare il modificatore "Bevel" per smussare leggermente gli spigoli. Per la realizzazione di eventuali condensatori elettrolitici, si possono consultare i precedenti articoli.

I morsetti da C.S.

Si può passare adesso alla laboriosa realizzazione dei modelli 3D dei morsetti da circuito stampato. La loro forma è un tantino più complessa dei precedenti componenti. E' consigliabile, pertanto, osservare bene le forme originali dal vivo oppure cercandole su Internet. E' importante, nel disegnare i componenti, rispettare le proporzioni e le misure di base.

I morsetti utilizzati in questo progetto sono caratterizzati dalla presenza di due fori, sormontate da altrettanti piccole viti. Il tutto è racchiuso in un contenitore plastico, dalla forma particolare. I modelli esistenti nel mercato sono di colore bianco, verde e blu.

Si possono anche fissare alcuni spezzoni di filo elettrico nei morsetti, per far apparire migliore l'ambiente sperimentale. I fili sono realizzati utilizzando l'estruzione di un cerchio su un profilo rappresentato dalla curva di Bezier, opportunamente modificata.

Il potenziometro

La realizzazione di questo componente è molto piacevole, forse per le sue forme circolari e rotondeggianti. E' l'unione di base di tante primitive solide cilindriche, assemblate opportunamente. Anche in questo caso è utile osservare e misurare un modello reale, per meglio fissare le proporzioni e le forme.

Le componenti base utilizzate per la creazione del potenziometro sono le seguenti:

  • Un grosso cilindro, costituente il contenitore della resistenza;
  • Un cilindro e un cubo fusi assieme, per la basetta dei tre reofori;
  • Tre cubi "appuntiti" per i reofori;
  • Un cilindro molto sottile per la rondella;
  • Un esagono estruso per il dado;
  • Molti "tori" per simulare la filettatura;
  • Un cilindro lungo per l'albero di regolazione.

Il circuito integrato

Componente composto da molti piedini, è l'elemento più laborioso da realizzare. L'alto numero di parti primitive, infatti, ne appesantisce il lavoro. Se ben realizzato apporta tanto realismo alla scena finale 3D.

In linea di massima, il CD40106 è formato da blocco principale, il corpo, e da tanti piedini metallici. La struttura base ha un rapporto W/H di 3; ciò vuol dire che la misura della lunghezza deve essere pari a tre volte quella della larghezza. Inoltre esso non ha una forma perfettamente squadrata ma il centro è leggermente più largo rispetto alle estremità. Le quote che seguono rendono meglio l'idea.

Dopo la realizzazione ed il posizionamento dell'integrato, l'attribuzione di una leggerissima percentuale di riflessione alla piastra contribuisce ad aumentare il realismo all'intera scena.

Contenitore

Adesso si esamineranno le tecniche per la realizzazione di un contenitore realistico. Qui l'utente può sbizzarrirsi con tutta la sua fantasia. In ogni caso, ricordiamo, la semplicità è sempre la migliore arma per la creazione di oggetti grafici professionali. In commercio esistono migliaia di contenitori, di qualsiasi forma e dimensione. Il vantaggio di utilizzare un programma tridimensionale è quello di sperimentare qualsiasi modello di box senza effettivamente acquistarne uno. Ciò consente un indubbio risparmio di denaro e una pressocché infinita varietà di soluzioni.

Una tecnica molto semplice prevede i seguenti passi principali:

  • Creazione del cubo principale del contenitore;
  • Eliminazione della sola faccia superiore, in modo da renderlo cavo;
  • Inspessimento delle facce rimanenti mediante modificatore "Solidify";
  • Arrotondamento degli spigoli con il modificatore "Bevel" applicato 2-3 volte;
  • Rotazione, ridimensionamento e posizionamento definitivo;
  • Applicazione di un buon materiale.

Se lo si desidera, è utile applicare all'interno della scatola anche i supporti per il fissaggio del coperchio mediante viti. Questo conferisce al contenitore un aspetto più simile alla realtà.

Coperchio e manopola

Il tocco finale è costituito dalla realizzazione della chiusura, da parte del coperchio superiore della scatola, e dall'applicazione della apposita manopola, per variare la frequenza tramite il potenziometro.

La base del primo oggetto può essere facilmente realizzata utilizzando la stessa scatola e capovolgendola, ovviamente scalandola opportunamente e rimuovendo i supporti delle viti. Non bisogna, ovviamente, dimenticare di piazzare le viti di fissaggio sul coperchio, pena il distacco di quest'ultimo.

Adesso l'intero circuito elettronico è nascosto all'interno del contenitore.

Cavo e altoparlante

L'ultima fase è quella del collegamento (virtuale) del dispositivo elettronico alle casse acustiche, per permetterne l'ascolto del suono prodotto dall'oscillatore. Anche in questo caso il progettista ha due strade diverse da poter seguire:

  • Realizzare in proprio l'altoparlante o la cassa acustica;
  • Cercare in rete un modello 3D già pronto.

A titolo di esempio, si è preferito scegliere la seconda strada, implementando anche la realizzazione del cavo audio per il collegamento alla cassa.

Adesso, come ulteriore aggiunta grafica, tutti gli oggetti della scena 3D vengono poggiati ed adagiati sopra un pavimento virtuale, un semplice box con texture riproducente un elegante parquet di legno, caratterizzato da un leggerissimo e piacevole effetto di riflessione (mirror).

Il cavo audio nero è realizzato utilizzando una curva di Bezier, opportunamente piegata, deformata e attorcigliata, sulla quale viene fatto estrudere un cerchio di Bezier (Bevel), affinché si realizzi il profilo completo del filo.

Conclusioni

L'esempio del progetto presentato in questo articolo non costituisce, ovviamente, un modello assoluto da seguire. Esistono metodologie e criteri diversi, più o meno funzionali, che il progettista può seguire, in dipendenza ai propri gusti e alle proprie esigenze.

Realizzare da sé la scena 3D delle proprie realizzazioni regala tante soddisfazione. E a differenza di alcuni CAE, che producono output tridimensionali, il metodo presentato in questa sede dà tanta indipendenza e l'utente può, praticamente, disegnare qualsiasi cosa.

Inoltre, il veder crescere pian piano il proprio lavoro, passo dopo passo, dona tanta gratificazione ed i risultati prodotti, se il disegno è stato eseguito con cura, costituiscono un valido materiale da presentare alla propria clientela, come documentazione professionale allegata.

In ogni caso, la soluzione proposta non rappresenta un'alternativa ai tanti programmi CAE esistenti ma una valida integrazione di un metodo diverso agli altri software utilizzati.

 

GDM

 

Quello che hai appena letto è un Articolo Premium reso disponibile affinché potessi valutare la qualità dei nostri contenuti!

 

Gli Articoli Tecnici Premium sono infatti riservati agli abbonati e vengono raccolti mensilmente nella nostra rivista digitale EOS-Book in PDF, ePub e mobi.
volantino eos-book1
Vorresti accedere a tutti gli altri Articoli Premium e fare il download degli EOS-Book? Allora valuta la possibilità di sottoscrivere un abbonamento a partire da € 2,95!
Scopri di più

5 Comments

  1. Piero Boccadoro Piero Boccadoro 5 settembre 2013
  2. Giovanni Di Maria gio22 5 settembre 2013
  3. Emanuele Emanuele 6 settembre 2013
  4. Tiziano.Pigliacelli Tiziano.Pigliacelli 19 settembre 2013
  5. Giovanni Di Maria gio22 19 settembre 2013

Leave a Reply

Raspberry Pi 3 GRATIS! (Win10 compatibile)

Fai un abbonamento Platinum (EOS-Book + Firmware), ricevi in OMAGGIO la RASPBERRY 3, inviaci il tuo progetto e OTTIENI IL RIMBORSO