Circuito "Blu Warm 2 (MK2)"by Casadei Giacomo
Ecco che è nato il nuovo Blu warm, o anche detto MK2. Ma cosa cambia rispetto alla precedente versione del novembre 2022?
Pur essendo sostanzialmente lo stesso semplice gioco, la prima importante differenza è che in questa nuova versione possono giocare contemporaneamente 2 giocatori. Come si evince dalla foto infatti, il nuovo Blu warm non ha due sole file di led ma 3; il warm, ancora realizzato con 20 led di colore blu (blu warm appunto) e due diverse file di led che rappresentano i missili sparati dai giocatori, una fila è composta di 10 led rossi ed una fila è composta di 10 led gialli. Il primo led rosso ed il primo led giallo rimangono accesi fissi per lasciare un riferimento ottico per il gioco, i restanti 9 led rossi e 9 led gialli rappresentano il percorso che il missile percorre nel tentativo di colpire il Blu warm.
Le differenze non finiscono qui, per fare durare di più le sessioni di gioco, ho introdotto un timer con tempi molto più lunghi rispetto alla prima versione del gioco. Nello specifico, nel gioco versione 1, dopo il comando di start avvenivano solamente 10 passaggi del warm, troppo pochi per testare la propria prontezza. Nel gioco versione MK2 il tempo di gioco si può definire con una semplice modifica di un valore di un condensatore, diciamo che ipoteticamente, per esempio, ogni sessione potrebbe durare 1 minuto. Questo fa si che si possa colpire il warm ben più di 10 volte (se si è bravi) ed è per questo motivo che questa volta ho impiegato dei contatori a 2 cifre (che impiegano Cmos di tipo 4026). Nel Blu warm MK2 vi sono complessivamente 6 Cmos 4026 e 6 display a led a 7 segmenti, Il contatore di sinistra registra i bersagli colpiti del giocatore "rosso", il contatore centrale, sempre a 2 cifre, registra i passaggi del Blu warm, il contatore di destra registra i bersagli centrati del giocatore "giallo".
Circuito elettrico
Come detto, sostanzialmente il circuito è simile al precedente, utilizza 2 circuiti integrati in più per gestire la logica del secondo giocatore (l'oscillatore di base rappresentato da un Cmos 4060 è i comune per i 2 giocatori) ed ovviamente un numero maggiore di driver per display a 7 segmenti per via del maggior numero di cifre da gestire. Una ulteriore differenza circuitale è rappresentata dalla presenza di 2 timer 555, uno serve a determinare la durata del "beep" del buzzer ogni qual volta il Blu warm viene colpito (ricordo che la durata della "collisione" può essere anche di solo qualche millisecondo, quindi è necessario un circuito che determini la durata del beep a prescendere dalla durata della collisione), il secondo timer 555 viene impiegato per determinare la durata della sessione di gioco. Anche questa versione rinnovata del gioco mantiene la funzionalità di accelerazione del warm dopo un determinato numero di passaggi dello stesso; in pratica, dopo un certo tempo dallo start, il gioco si complica in quanto il Blu warm diventa più veloce e difficile da colpire.
Mentre scrivo - e questa rappresenta un'altra grande novità - ho pensato di fare realizzare la scheda PCB per metterla a disposizione di eventuali interessati che vogliano realizzarsi il proprio Blu warm MK2 in autonomia, se tutto andrà a buon fine, si potranno ottenere il PCB e la lista dei componenti per il montaggio del kit in versione fai-da-te.
Circuito "Blu Warm"by Casadei Giacomo
Perché l'ho fatto? Non è semplice rispondere a questa domanda, è più semplice rispondere alla sua negazione, ovvero; perché non l'ho fatto!
Non l'ho fatto perché mi è stato chiesto, non l'ho fatto perché mi occorreva un gioco da utilizzare per giocarci, non l'ho fatto per questioni commerciali. Forse l'ho fatto per motivi di senilità in avvicinamento (ho appena smarcato i 47) e comunque perché non volevo un gioco per giocare ma giocare costruendo un gioco. Ad ogni modo sono qui con il BLU WARM in mano ed ora spiegherò a te – o mio caro lettore – come tutto è iniziato e come si è sviluppato.
Tutto è iniziato con la voglia di costruire qualcosa con basette millefori per prototipazione e con circuiti integrati C-MOS ma inizialmente senza un fine, cosi, ho acquistato on-line alcuni componenti base ed alcuni integrati C-MOS come CD4017, CD4066, CD4020, CD4060 e successivamente – quando ho deciso di introdurre dei display a 7 segmenti, anche dei CD4033 come driver di questi ultimi.
Nasce il BLU WARM
Cosa poteva fare questo semplice mini-videogioco? Ho pensato ad un verme che deve essere colpito da un “missile”, cosi, ho creato una barra di led blu (che crea appunto una parte del nome del gioco) che simula il passaggio del warm... per renderlo più “verme” ho collegato i led blu a coppie, solo l'ultima coppia è di colore verde per indicare che il verme l'ha scampata liscia. I primi due led blu invece, rimangono accesi per lasciare un riferimento ottico su dove ha inizio il gioco. Il passaggio del warm è ottenuto con un circuito formato da alcuni integrati, il primo è un CD4060 che funge da base dei tempi, un CD4017 seleziona sequenzialmente i led blu/verdi del warm, un secondo CD4017 conta i passaggi del varm per accelerarne il passaggio dal settimo giro per aumentare la difficoltà del gioco, un CD4066 (un quadruplo switch bi-direzionale a stato solido) serve per modificare la frequenza di oscillazione del CD4060.
Il MISSILE
Per creare il missile, ho creato una seconda (più corta) fila di led, 9 per l'esattezza, con i primi 6 di colore giallo e gli ultimi 3 di colore rosso, ho scelto il rosso per enfatizzare l'avvicinamento del missile al passaggio del WARM!
Il missile, viene lanciato premendo un pulsante sulla basetta. Il passaggio del missile è gestito da un integrato CD4017 che seleziona sequenzialmente i 9 led della colonna giallo/rosso, la decima uscita di questo chip serve per creare il reset del missile e renderlo pronto per il lancio successivo. La base dei tempi per il missile è genarata da un altro chip CD4060 che dispone anche di trimmer per modificare la velocità del missile stesso.
COME INTERCETTARE SE IL WARM VIENE COLPITO
Questa parte del circuito è semplice, quando sia il led del warm che il led del missile sono accesi contemporaneamente, significa che il bersaglio è stato colpito. Per rilevare questa condizione, basterebbe una porta AND ma non ne avevo disponibili, cosi ho utilizzato un altro CD4066 impiegando solo due dei 4 switch disponibili al suo interno.
SEGNALAZIONE WARM COLPITO
Per indicare che il verme è stato colpito (cosa non molto semplice nel gioco) ho impiegato un led verde che inizialmente serve come test del circuito. Successivamente ho impiegato un altro CD4060 per generare un breve suono attraverso un buzzer che suona brevemente quando appunto il warm è stato colpito. Dato che la durata del tempo durante il quale entrambi i led (warm e missile) sono accesi può essere molto breve, anche millesimi di secondo, il buzzer non sempre potrebbe suonare correttamente, per questo motivo è necessario creare un ulteriore circuito digitale in grado di registare l'evento (warm colpito) e mantenere un segnale alto per un tempo predefinito. Inizialmente ho pensato di utilizzare uno dei 4 switch a stato solido rimasti liberi sul 4066 impiegato in un altro stadio del circuito ed utilizzando un condensatore come tempo che definisce lo stato di livello logico 1 ma questo non sarebbe stato abbastanza stabile, per questo motivo ho deciso di impiegare un altro contatore CD4017 dato che c'è l'ho disponibile. Un ulteriore CD4066 è stato comunque necessario per creare un flip-flop (che non avevo invece disponibile al momento altrimenti sarebbe stato più semplice) dove lo start proviene dal rilevatore di bersaglio colpito, mentre il segnale di reset proviene dal CD4017 che lo porta al livello logico 1 dopo un tempo (conteggio di clock) predefinito.
PROGRAMMAZIONE DEL CICLO DEL GIOCO
In fase di sviluppo ho pensato fosse giusto prevedere una durata di ogni ciclo di gioco. Un altro chip CD4017 conta i passaggi del warm e dopo 9 passaggi ferma il gioco. Per farlo ripartire servirà un successivo comando di START di cui parlerò tra poco.
SEGNALAZIONE PUNTEGGIO E ALTRI DATI
Ecco che sono venuti in aiuto i 3 display led a 7 segmenti che avevo preventivamente acquistato e che mi hanno spinto a compare anche dei driver C-MOS di tipo CD4033. Il primo di questi chip è collegato all'ultima uscita del chip che pilota i led della barra del warm (i blu/verdi) e conta i passaggi del bersaglio (fissati a 9). Facendo partire il gioco, il warm effettuerà questi passaggi e sul display a 7 segmenti verranno visualizzati i numeri da 1 a 9 poi tutto si fermerà fino ad un nuovo avvio del gioco.
Un secondo driver CD4033 connesso ad un secondo display conta i missili impiegati nella sessione, anche questi possono essere da 0 a 9. Il terzo circuito integrato CD4033 registra sul terzo display i bersagli colpiti, questo dato può andare da un minimo di 0 ad un massimo di 9. Raggiunti i 5 punti (un valore già alto per la difficoltà del gioco) un altro chip CD4017 registra questo valore ed accende una serie di led colorati (2 verdi, 2 blu, 2 gialli, 2 rossi) segnalando ed incentivando il giocatore che sta ottenendo ottimi risultati. La scelta dei colori del led ha sicuramente riferimenti agli anni '80.
CIRCUITO START E RESET GIOCO
Un set di 3 integrati C-MOS (un CD4017, un CD4020 ed un CD4066) creano il contatore che rileva i 9 passaggi del warm e che ferma il gioco fino al nuovo comando di START che agisce sul contatore CD4020. Un terzo pulsante di RESET serve ad azzerare i 3 valori indicati nei display e a resettare tutti i contatori del circuito.
NOTE SUL MONTAGGIO
Per qualche motivo anche a me ignoto, ho deciso di non creare prima uno schema elettrico di questo gioco ma di mettermi al banco con componenti e basetta (una millefori 233 x 160mm in vetronite monofaccia) e lasciare libero sfogo alla creatività. Se anche tu che stai leggendo vuoi realizzare una cosa di questo tipo, ti consiglio di creare prima uno schema elettrico completo su carta (o in digitale se ne sei capace... io no) in quanto sbagliare qualcosa diventa facile. Per le connessioni di tutti i componenti sul retro della basetta, ho utilizzato fili di colore diverso mantenendo il più possibile coerenza (nero per GND, rosso per VCC, giallo per reset, verde per clock, altri colori per connessione dei led e dei display).
Per assicurare un corretto funzionamento, ogni chip C-MOS deve disporre sul suo pin di alimentazione (il pin 14 o il pin 16 in base al packaging) di un condensatore di by-pass del valore di 100nF al poliestere (vanno bene anche altri tipi analoghi, anche 47nF o 150nF per esempio). Ogni gruppo di 2-3 C-MOS dovrebbe disporre nelle sue vicinanze di un condensatore elettrolitico (sempre connesso al pin VCC) del valore di circa 100 microfarad (vanno bene anche dei 220 microfarad). Non sottovalutare questi aspetti o il circuito difficilmente potrà funzionare correttamente. Per ragioni analoghe, tutti gli ingressi di clock, enable, reset ed in genere ogni ingresso logico, devono disporre di resistenza di pull-down (o pull-up in base al tipo di ingresso) con valore di 10K ohm o 22K ohm, anche valori di 47K ohm potrebbero andare ma per avere un circuito più stabile e meno soggetto ad interferenze meglio rimanere su valori di 10K.
ELENCO COMPONENTI (in aggiornamento)Aveto tempo e noia a disposizione. Ed avevo un modulo amplificatore mono da 80W con finali Mosfet in contenitore TO3. Decisi di realizzare – trasformando questa elettronica già in mio possesso – il mio primo amplificatore ad IGBT per pilotare un subwoofer a tromba da me realizzato e posto sotto il letto. Il subwoofer era composto da 2 driver da 10 pollici con caricamento a tromba, gli altoparlanti credo fossero dei Barkley ma non ne sono certo, sono passati quasi 30 anni dalla realizzazione. In quegli anni ero già un sostenitore della bi-amplificazione attiva, non utilizzavo quindi filtri crossover passivi nei diffusori, anche per avere il maggior fattore di smorzamento possibile.
Torniamo al finale a IGBT. Comprai due coppie di questi semiconduttori, non ne ricordo la sigla ma solamente il contenitore (che credo fosse il TO-247-3) ed il fatto che uno dei due “canali” era di colore verde. Comprai anche un contenitore in ferro/alluminio di tipo “mezzo rack standard”, una coppia di condensatori elettrolitici da 22,000uF (molto costosi per le mie tasche di allora), un grosso ponte raddrizzatore da 35A continui, un dissipatore, un termostato 50°C ed una ventola. Il trasformatore, di tipo tradizionale (non toroidale) lo avevo in casa.
Modificai il circuito in mio possesso eliminando la coppia di Mosfet ed installando sul dissipatore la doppia coppia di IGBT. In quegli anni non sapevo dell'esistenza di eventuali amplificatori realizzati con questi semiconduttori (che da noi in Italia credo siano comparsi agli inizi degli anni '80 per applicazioni in automazione industriale con funzione di finali di potenza) e volevo essere uno dei primi ad averlo. Modificai lo stadio dei driver, la retroazione e collegai in parallelo i due IGBT attraverso due resistenze di compensazione con basso valore resisitvo e potenza di 7W.
Risultato dell'amplificatore classe AB complementare con IGBT
Come detto, si trattava di un amplificatore in classe AB complementare, quindi con una piccola corrente di riposto che consente (in teoria) all'amplificatore di funzionare in classe A pura per potenze risibili, diciamo attorno ad 1 W o qualcosa del genere. Anche se con applicazione di pilotaggio subwoofer (con taglio attorno ai 120Hz con pendenza di 24dB/ottava) non si sentiva alcun difetto, con l'oscilloscopio (che avevo la fortuna di avere in casa già in giovane età) rilevai una distorsione di intermodulazione del 2-3%, valore molto alto in quanto di solito è di qualche millesimo, non riuscii comunque a risolvere questa cosa ma “ad orecchio” tutto funzionava perfettamente. In termini di prestazioni, avevo realizzato un amplificatore molto compatto in grado di erogare in modo continuo (Long Term Power) 325W RMS su 2 ohm senza raggiungere temperature problematiche.
Cosa sono gli IGBT
Gli IGBT sono componenti creati con un mix di tecnologie impiegate su transistor e su Mosfet. La sigla indica Insulated Gate Bipolar Transistor, in pratica si tratta di una sorta di transistor come comportamento “in uscita” (dispone infatti di terminali C ed E), mentre per quanto concerne l'ingresso si comporta come un Mosfet (ha il terminale di controllo che infatti si chiama Gate e non Base). La corrente (in condizione di pilotaggio statico in continua) sul terminale Gate è pari a zero ampere. In condizioni dinamiche dispone di una capacità parassita che può incidere sul suo comportamento, cosi come avviene sui Mosfet o altri componenti appartenenti alla famiglia dei “transistor ad effetto campo”.
Come detto sopra gli IGBT non nascono per impieghi nel settore audio diffusione ma per applicazioni relative ad inverter ed altri sistemi di controllo motori elettrici o altri carichi “di potenza”, in ogni caso, negli anni successivi alla mia esperienza, ho visto pubblicare progetti di amplificatori BF con questa tecnologia e mettere in commercio alcuni finali di potenza BF con questi semiconduttori. Il mio amplificatore in classe AB complementare con IGBT da 325W RMS su 2 ohm, sempre negli anni '90, venne poi impiegato in un locale notturno sul lungomare di Rimini.
I primi anni '90 sono stati quelli della rincorsa al downsizing dei diffusori acustici per discoteche e ancor più per il settore “service”. Alcuni brand molto noti (almeno all'epoca) furono i pionieri nello scovare nuove tecnologie per ridurre le dimensioni ed il peso dei diffusori acustici e per aumentarne la potenza e quindi la pressione acustica. Una di queste strade (ancora in uso oggi) è il passaggio attraverso i DSP (digital signal processor) che intervengono attivamente sul segnale BF prima che questo raggiunga i finali di potenza. I DSP non sono solo in grado di fungere da filtri crossover attivi per bi-amplificazione o tri-amplificazione ma sono in grado anche di tagliare nettamente alcune frequenze (di cui parlerò tra un attimo) e di simulare la temperatura dei driver per prevenirne il surriscaldamento con conseguente possibile rottura.
I DSP consentono di impiegare maggiori potenze dei finali grazie alla possibilità di controllare costantemente e virtualmente la temperatura delle bobine di subwoofer, woofer e driver per alte frequenze. In termini meccanici (e anche termici) la possibilità di creare filtri attivi con pendenze molto alte, ad esempio 48dB/ottava, consente di ridurre il carico dei trasduttori delle basse (e bassissime frequenze) sia in termini meccanici (eccessiva escursione dei coni) sia in termini termici, le frequenze più gravi infatti (anche se dipende dal programma acustico) sono generalmente quelle con più alto carico energetico ed impegnano molta potenza sulle bobine; va da se che eliminare tutte le frequenze non convenienti (ad esempio per scarsa resa dell'accoppiamento trasduttore-cassa acustica) sui driver ne libera capacità meccanica e termica nella risultante del segnale riprodotto.
Non avendo nemmeno lontanamente le competenze per “giocare” con i DSP, nel 1993 ideai uno stratagemma (poco elegante) per il controllo della temperatura delle bobine dei driver dei satelliti per frequenze medio-alte attraverso un feedback elettrico generato da un sensore NTC montato sul supporto della bobina. Per fissare il sensore NTC (che altro non è che una resistenza variabile in funzione delle temperatura e con fattore negativo) staccai le cupole dei woofer e incollai il sensore sul supporto bobina facendo passare altri due piccoli fili sul cono (che era realizzato in fibra di carbonio) issandoli con del catrame (come fatto per le due connessioni originali dell'altoparlante. I supporti bobina sono generalmente realizzati in carta, in Kapton o in alluminio, i miei altoparlanti utilizzavano quest'ultimo materiale.
I due fili correvano paralleli ai cavi di potenza del diffusore con un secondo cavo a 2 fili + calzatura di schermo, poi arrivavano ai finali amplificatori (che in questo caso erano dei finali di N.E. Con semiconduttori Hexfet) per il controllo della retroazione e quindi della potenza in uscita degli stessi. Lo scopo era quello di preservare le bobine mobili utilizzando una potenza maggiore di quella “canonica” per avere maggiore pressione acustica con i piccoli satelliti che – il sintesi – erano realizzati con 2 altoparlanti da 130 mm con tweeter centrale (configurazione d'Appolito). Il sensore NTC era fissato su uno solo dei due altoparlanti collegati in serie, quindi con identica potenza dissipata.
In un secondo progetto, avevo eliminato i sensori NTC sugli altoparlanti (per vari motivi, tra i quali lo stravolgimento del fattore di merito e della frequenza di risonanza) montandoli su resistenze da 1 W che fungevano da carico fittizio all'interno dell'amplificatore (in parallelo alle uscite per le casse acustiche) e che simulavano il comportamento termico dei driver dei satelliti. Gli altoparlanti erano dei medio-bassi da 130 mm con cono in fibra di carbonio, supporto bobina in alluminio, impedenza 4 ohm e diametro bobina di 30 mm. I due satelliti cosi composti facevano parte del sistema in bi-amplificazione attiva assieme al subwoofer già citato nell'articolo che parla dell'amplificatore in classe AB complementare con IGBT