Questo articolo descrive come realizzare un circuito in grado di controllare una pompa in base al livello di un serbatoio da svuotare. Una piccola modifica al circuito genera una nuova applicazione completamente differente.
Con l’utilizzo di alcune porte logiche NAND è possibile controllare una qualsiasi pompa per fluidi che debba mantenere un livello costante in un serbatoio. Un classico esempio possono essere le pompe per serbatoi sommersi che devono costantemente essere mantenute tra un livello minimo e un livello massimo. Il circuito utilizzato per questa applicazione è raffigurato in Figura 1.
Figura 1: Un circuito di controllo per una pompa che utilizza quattro porte NAND per pilotare un relè allo stato solido
Il circuito è alimentato a 12V, quando il sensore di livello basso viene attivato, il circuito riceve i 12V dalla linea L1. Analogamente, arrivano 12V dalla linea L2 quando viene eccitato il sensore di livello alto. Ovviamente, il posizionamento dei due sensori di livello deve essere tale da evitare continui cicli brevi di lavoro per la pompa. Il principio di funzionamento di questo circuito è molto semplice, quando il fluido (supponiamo acqua) attiva il sensore di livello alto nel serbatoio, il segnale L2 passa a 12V quindi ad un livello alto. Questo determina l’accensione della pompa per svuotare il serbatoio. Quando il livello scende sotto il livello del sensore L1 la pompa si spegne. La condizione anomala di serbatoio vuoto, viene identificata poiché i sensori L1 e L2 e la porta D sono ad un livello basso, infatti le uscite delle porte NAND A e B sono al livello alto. Quando il livello sale fino ad attivare L1 alla porta B arriva in ingresso un segnale alto ma le uscite non cambiano. Solamente quando il livello nel serbatoio raggiunge L2 allora l’uscita della porta A diventa bassa e di conseguenza la porta D ha in uscita un livello alto. La retroazione dell’uscita della porta D sull’ingresso della porta B determina un livello basso in uscita anche dalla porta B che va ad alimentare la bobina di un rele SSR (solid- state relay) che effettivamente va ad attivare la pompa. L’uscita della porta logica D va contemporaneamente ad attivare un oscillatore che fa suonare un buzzer piezoelettrico. Quando il livello del serbatoio scende sotto il livello L2, la pompa continua a rimanere accesa in seguito al latch delle porte B e D. Quando finalmente il livello scende sotto il sensore L1, l’uscita della porta logica B diventa alta e fa spegnere la pompa disalimentando il relè. Allo stesso tempo, la porta D va al livello basso determinando lo spegnimento del buzzer. Il circuito utilizza il chip HCF4093B che al suo interno racchiude 4 porte NAND a due ingressi dotate di Schmitt trigger (vedi box dedicato). La resistenza R1 di ingresso ha un valore di 560 Kohm, tale valore è indicativo e deve essere cablato su ogni singola applicazione, nulla vieta di aumentare il valore, tenendo ben presente la caduta ai capi della resistenza dovuta alle correnti di leakage in ingresso. Il relè a stato solido potrebbe anche avere direttamente collegato un SCR e un eventuale circuito che considera stato e eventuale sovraccarico/temperatura del motore. La scelta dell’SSR deve essere fatta in maniera tale che abbia un rating di tensione almeno doppio rispetto alla tensione di lavoro, e un rating di corrente da cinque a dieci volte la corrente del motore per resistere alla variazione della tensione impulsiva all’accensione (dV/dt) e resistere alle correnti di picco (correnti di surge). Il circuito di Figura 1 riporta anche la presenza di un fusibile, la scelta ideale è quella di un fusibile di tipo fast (fast-blow) o a semiconduttore, con un I2t leggermente inferiore alla corrente per secondo che è in grado di fornire il relè. La scelta del relè e del fusibile è ovviamente legata al motore utilizzato. Il circuito di test utilizzato impiega dei cavi di rame inguainati e intrecciati, di grosso spessore e spellati agli estremi come sensori per il livello. I fili possono essere collegati ad un connettore di materiale isolante a due vie, per esempio di porcellana e sistemati in contenitori fissandoli dall’alto del serbatoio. I fili in parallelo del sensore evitano che si generi interferenza dovuta alla formazione accidentale di umidità, quando il livello dell’acqua scende sotto il sensore. Ovviamente, questa soluzione è estremamente semplice, nulla vieta di utilizzare soluzioni più professionali e affidabili.
CON UNA PICCOLA MODIFICA…
Il circuito di Figura 1 può essere leggermente modificato fino ad ottenere quello di Figura 2 che realizza un’altra funzione estremamente interessante. L’obbiettivo adesso è di mantenere il livello nel serbatoio, accendendo la pompa che effettua il riempimento quando il livello si abbassa e spegnendola quando è sufficientemente pieno. I sensori L1 e L2 possono essere installati in posizione analoga, l’accensione del circuito di Figura 2 determina l’accensione della pompa tramite il relè. Infatti, l’uscita della porta B è a livello alto sia che si parta da serbatoio vuoto (L1 a livello basso) sia che il livello sia superiore a L1 (L1 a livello alto) poiché sul gate B interviene in ingresso l’uscita della porta D.
Figura 2: Un circuito di mantenimento del livello realizzato a porte NAND
Solamente il raggiungimento del sensore L2 causa lo spegnimento della pompa, poiché l’uscita della porta D va al livello alto e il relè viene spento. Se il livello scende sotto L1 allora il ciclo riparte fino al riempimento sino al livello L2. Il buzzer anche in questo caso annuncia che la pompa sta lavorando. E’ possibile controllare la pompa anche utilizzando un motore trifase, in questo caso è necessario utilizzare un SSR trifase, oppure due SSR opportunamente dimensionati e collegati in serie.
