COME TRASFORMARE UN PC - sillanumsoft.org FE279.pdf · come oscilloscopio un PC con uno dei tanti...

progettare di MARIO ROTIGNI ➲progettare & costruire

UN PCUN PC

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I l desiderio di costruirsi

un laboratorio in casa

spendendo pochi soldi ,

suggerisce di ut i l izzare

come osci l loscopio un PC

con uno dei tanti programmi

disponibi l i in rete.

E’ opportuno però prevedere

una buona protezione da rischi

di danneggiamento. Ecco come in oscilloscopioin oscilloscopio

COME TRASFORMARECOME TRASFORMARE

L’uso del PC casalingocome strumento di mi-sura può rivelarsi piut-tosto nocivo per la no-

stra macchina, esponendola a rischi con-nessi a possibili danni elettrici dovuti a so-vratensioni e sovracorrenti. Ho quindi vo-luto realizzare un accessorio che offrisseun elementare sottoinsieme delle funzio-ni base offerte dallo stadio di ingressodi un vero oscilloscopio ed al tempo stes-so proteggesse il PC. Lo scopo dell’arti-colo è in realtà duplice, realizzare lo sta-dio di ingresso ed allo stesso tempo, ri-chiamare l’attenzione su alcuni aspettidel progetto di un apparato elettronico, avolte trascurati, le protezioni. Questi ac-corgimenti rientrano nelle filosofie di Ro-bust Design e Design for Reliability che sipreoccupano non solo di progettare ap-

52-63 PROGETTARE E...:FE 21-07-2008 12:17 Pagina 52

& costruire

specifiche

Per definire correttamente lespecifiche dobbiamoinnanzitutto avere chiaro ilcampo di applicazione previsto.In questo caso si tratta diverifiche di circuiti in bandaaudio, sensori e piccoleapplicazioni di microcontrolloriper robotica amatoriale.Potremmo ad esempio verificarei sensori acustici del nostrorobot, la risposta difotoresistenze o gli impulsi di

comando dei motori.Naturalmente, dovremo limitarele nostre aspettative adattandolealle caratteristiche delle schedeaudio.Definiamo quindi le specifichedesiderate per il nostroFrontEnd.• Funzione da realizzare: Amplificatore di ingresso perOscilloscopio basato su PC,conprotezione /separazione dellacircuiteria interna del PC da

possibili rischi elettrici dovuti asegnali di ingresso anomali.• Possibilità di utilizzo di unAmplificatore di Isolamento conseparazione galvanica traingresso ed uscita.• Numero di canali: due gemelli. • Amplificazione: Fissa, 1 o 10,da decidere in sede dimontaggio, vedi articolo• AttenuazioneIngresso:Selezionabile x1 o x10• Segnale in ingresso Max: 10 V

con Attenuazione x10, 1 V conAttenuazione x1 • Segnale in Uscita: 1V massimo• Accoppiamento: CorrenteContinua o Corrente Alternataselezionabile (cc / ac)• Banda Passante: cc – 20KHz • Elevata Impedenza Ingressoper non caricare i circuiti sottotest.• Alimentazione autonoma abatteria• Indicazione di batteria scarica


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progettare & costruire➲progettare & costruire

parecchiature rispondenti alla specifica delcliente ma anche del mantenimento ditali specifiche nel tempo. Come accade incampo industriale, definiremo anzituttole specifiche dell’apparato che vogliamocostruire, sceglieremo i componenti cheriterremo più idonei e consolideremo loschema elettrico, passando poi alla rea-lizzazione vera e propria. Infine rivisitere-mo criticamente il progetto chiedendociconferma delle scelte effettuate, a be-neficio dei futuri progetti. Lo schemacomprenderà tutta una serie di accorgi-menti comunemente usati per la prote-zione dei circuiti. L’adozione o meno diciascuno di essi verrà decisa alla lucedell’ambito applicativo.

BACKGROUND: LA NECESSITÀ DI PROTEGGERETutte le apparecchiature elettriche edelettroniche sono soggette durante la lo-ro vita ad esposizione a sovratensioni edin qualche caso, sovracorrenti, ovvero avalori delle grandezze elettriche fonda-mentali superiori a quelle proprie richiesteper il normale svolgimento delle propriefunzioni. Tali fenomeni sono spesso indi-pendenti dalla volontà del progettista edell’utilizzatore, accadono in istanti spes-so imprevedibili, con intensità non nota apriori e non sono sostanzialmente deltutto eliminabili, per quante precauzioni sipossano prendere. Una progettazionepoco attenta a tali fenomeni può peg-giorare la situazione, rendendo le appa-recchiature più sensibili ed esposte adanneggiamenti o sede di generazione ditransitori nocivi. Un’attenta considera-zione delle cause di questi fenomeni èimportante per garantire l’affidabilità del

nostro progetto, cioè garantire la suadisponibilità a svolgere le proprie funzio-ni correttamente nel tempo. Le pertur-bazioni elettriche più comuni sono so-vratensioni, riconducibili a due origini,interna all’apparecchiatura o esterna, ge-nerata dall’ambiente. Vediamone un pos-sibile elenco, pensando ad un caso ge-nerale.

Sovratensioni di origine internaal l ’apparecchiatura• Transitori di alimentazione.• Apertura/chiusura di circuiti induttivi• Accoppiamenti capacitivi (sono tipica-mente eliminati nella valutazione dei prototipi).Su queste sorgenti di sovratensione ab-biamo buone possibilità di intervento co-me progettisti, identificandole le sorgen-ti nel nostro circuito ed eliminando o ri-ducendo a valori facilmente tollerabili glieffetti di ogni fenomeno. Come vedre-mo, l’aggiunta alla circuiteria interna dicomponenti che riducono l’ampiezza deifenomeni indesiderati è la cura primariaadottata per i fenomeni di origine interna.Appartengono a questa classe di accor-gimenti i diodi di ricircolo montati in paral-lelo alle bobine di relè che certamenteavrete visto più volte.I transitori di alimentazione e l’apertu-ra/chiusura di circuiti fortemente capaci-tivi possono inoltre generare sovracor-renti da tenere in considerazione.

Sovratensioni di origine esternaal l ’apparecchiatura• Sovratensioni sulle linee di alimentazione.• Sovratensioni sulle linee di segnale.• Sovratensioni indotte per accoppia-mento Induttivo o Capacitivo. • Scariche elettrostatiche dirette sui con-

PER approfondire...[REF1] Disposit ivi di Protezione da Sovratensioni, Fare Elettronica Gennaio 2006[REF 2] Le Sovratensioni di Rete, Fare Elettronica Maggio 2006 [REF 3] Analog Devices Appl ication Note AN397 Electrical ly Induced Damage to Standard Linear Integrated Circuits. [REF 4] Understanding and Protecting Integrated Circuits from Electrostatic Discharge (ESD), W.Freeman Analog Devices[REF 5] ADI Rel iabi l i ty Handbook, Analog Devices[REF 6] ESD Associat ion, www.esda.org[REF 7] Operational Amplif ier for everyone, Book onl ine Texas Instruments[REF 8] National Semiconductor Appl ication Note AN1511 Cable Discharge Event.

nettori di ingresso/uscita o alimentazioneoppure sul contenitore dell’apparecchiatura.L’origine di questi fenomeni può esseredovuta a fenomeni atmosferici anche lon-tani, guasti o transitori di manovra pro-pagatisi lungo le linee di distribuzionedell’energia elettrica. Le scariche elet-trostatiche (vedi riquadro dedicato) sonoinvece dovute a prossimità o contattotra corpi a differente potenziale elettri-co. Questo fenomeno può nascere quin-di anche dal contatto con gli esseri uma-ni utilizzatori dell’apparecchiatura, qualorasiano accessibili connettori oppure at-traverso pannelli o parti metalliche.I singoli fenomeni sono sostanzialmenteimprevedibili, dipendendo da fattori trop-po diversi per poterne tenere conto. Nelcaso di sovratensione propagata dallelinee di alimentazione, dipendono adesempio dalla distanza dalla sorgentedel fenomeno, nel caso di scariche elet-trostatiche l’intensità dipende anche dal-l’umidità dell’aria, oltre che dalla natura deicorpi che divengono sede di cariche elet-triche. Alcuni ambienti sono naturalmen-te predisposti alla generazione di transitori,si pensi alle automobili con la loro bobinadi accensione.L’industria e gli enti normativi internazio-nali hanno lavorato molto su questo pro-blema, definendo per ogni ambito appli-cativo (telecomuncazioni, industriale, re-sidenziale, automotive ad esempio), del-le classi di severità ed impulsi tipici comedescritto in REF1, REF 13 e REF 14.REF14 (Harris Application Note 9769)contiene anche ulteriori riferimenti ad uti-li Application Notes specifiche per campodi applicazione.


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L’AMPLIFICATORE DI INGRESSOMolti Amplificatori Operazionali sono adat-ti allo scopo, la mia scelta è caduta su uncomponente non particolarmente recen-te con cui ho dimestichezza, il CA3140.Originariamente prodotto da RCA Semi-conductors è ancora oggi in produzionedopo trentanni. Questo componente èstato tra i primi operazionali con ingressoa MOSFET, con buone caratteristiche divelocità, basse correnti ed elevata im-pedenza di ingresso. Lo stadio di uscitarealizzato con bipolari comprende unaprotezione integrata contro corto circuiti.Il CA3140 viene ancora utilizzato ad esem-pio per la realizzazione di strumentazione.Varie interessanti applicazioni sono ri-portate nel datasheet (vedi REF 9). Puòessere sostituito TL081, con un certodegrado dell’impedenza di ingresso.

L’AMPLIFICATORE DI ISOLAMENTOInglesismo che andrebbe forse megliotradotto con ‘Amplificatore Isolato’, indi-ca un amplificatore con separazione gal-vanica totale, segnale ed alimentazione,tra stadio di ingresso e stadio di uscita.L’amplificatore di isolamento scelto èISO124 originariamente prodotto da Burr-Brown, ditta specializzata in circuiti inte-grati analogici per trattamento e conver-sione di segnale. Oggi Burr-Brown è in-tegrata in Texas Instruments ed ISO124 èfacilmente reperibile anche per corri-spondenza. ISO124 è un amplificatore aguadagno unitario che assicura una ten-sione di isolamento di 1500V efficaci traingresso ed uscita. Questo ci consente l’i-solamento elettrico della circuiteria di in-gresso del PC dal circuito sotto test,

mettendo quindi la scheda audio e mo-therboard al riparo da quanto accade nelcircuito del frontend e nel circuito in pro-va. La tenuta dell’isolamento è verificatacon collaudo su tutti i pezzi prodotti. L’i-solamento, per questioni di semplicità ecosto, è realizzato da ISO124 trasmet-tendo il segnale digitalizzato attraversouna barriera capacitiva realizzata da duecondensatori integrati nel package. I con-densatori della barriera garantiscono l’i-solamento galvanico tra ingresso ed usci-ta. L’informazione è trasmessa con unamodulazione del duty cycle, tecnica simileal PWM usato nel controllo della velocitàdi motori in continua. Questa tecnica è piùeconomica rispetto ad altre usate dallastessa Burr-Brown in passato, quale l’i-solamento attraverso un piccolo trasfor-matore incapsulato nello stesso packagedell’amplificatore. Come messo in evi-denza dal datasheet, nessun compo-nente esterno è necessario, la linearità èmolto buona e la banda passante garan-tita di 50KHz largamente sufficiente persoddisfare la nostra specifica. Ho sceltoil componente in contenitore DIP16 persemplificare la realizzazione dello stam-pato. Bisogna notare come la tensione diisolamento può essere compromessa daun montaggio non corretto. Una superfi-cie dello stampato non pulita può produrrepercorsi debolmente conduttivi, suffi-cienti a degradare l’isolamento. Cosi co-me una non sufficiente separazione fisicadella circuiteria di ingresso da quella diuscita. Il rame sotto il circuito integrato èquindi stato integralmente rimosso in cor-rispondenza della parte centrale del cor-po DIL16. Non è del tutto corretto con-

siderare l’amplificatore di isolamento co-me un puro componente di protezione,come a prima vista si potrebbe essereindotti a fare. Esso è inserito nel percor-so principale di trasmissione del segnaleed un suo guasto renderebbe inservibilelo strumento. Bisogna poi ricordare che l’i-solamento è garantito tra ingresso eduscita , non tra ingresso e la propria mas-sa. La sezione di ingresso di ISO124 con-tiene circuiti sensibili alle sovratensionie va quindi adeguatamente protetta, man-tenendo la tensione tra pin di ingresso emassa ingresso entro i valori massimi (10V, vedi datasheet) e contando sulla bar-riera di isolamento come ultima difesaper evitare la propagazione del guasto ai cir-cuiti seguenti. L’isolamento totale del se-gnale permette anche di interrompere icosiddetti ground-loop. Il segnale in usci-ta da ISO124 contiene rumore residuo al-la frequenza di 500KHz, dovuto alla mo-dulazione. Essendo tale frequenza ben ol-tre la frequenza di taglio della nostra cate-na di misura (amplificatore più scheda au-dio), nessun filtro specifico è stato previsto,contando sul filtraggio integrato nella sche-da audio (filtro anti-aliasing prima del con-vertitore Analogico-Digitale).

IL VOLTAGE CONVERTER Il Voltage Converter LTC1044 è usatoper la generazione delle tensioni negative,riducendo cosi il numero di batterie ne-cessarie all’alimentazione del nostro cir-cuito. LTC1044 è una versione miglioratadi ICL7660, con cui resta compatibile esostituibile, prodotto da varie Case. Hopreferito questo componente per la pre-

[REF 9] Intersi l CA3140 Datasheet

[REF 10] Texas Instruments ISO124 Datasheet

[REF 11] Linear Technology LTC1044 Datasheet

[REF 12] Appl ication Note Texas Instruments sboa004 ‘SINGLE-SUPPLY OPERATION OF ISOLATION AMPLIFIERS’

[REF 13]Littelfuse ‘EC 101 Chapter 1-Introduction to Circuit Protection’

http://en. l i t telfuse.cn/cgi-bin/r.cgi/en/know_content.html?ContentID=77&LFSESSION=lE6VHcc1Df

[REF 14] Harris Appl ication Note AN9769, An overview of electromagnetic and Lightning induced voltage transient

segue a pagina 58


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Figura 1: la sezione di condizionamento del segnale.


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LISTA COMPONENTI

BT1,BT2 batterie 9VC1,C2,C3,C7,C8,C9 Condensatori al Elettrolitici al Tantalio

10 uF 16VC4,C10 Condensatori Elettrolitici 100 uF 25VC5,C11 Condensatori Ceramici 330 nF 50VC6,C12,C13,C15 Condensatori Ceramici 100 nF 50VC14 Condensatore Poliestere 100 nF 400VC16,C17,C18,C19,C21,C22 Condensatori Elettrolitici al Tantalio 1uF 16VC20 Condensatore Ceramico 100 pF 50VD1,D2,D5 1N4001D4,D10 LED RossiD6,D12 Diodi zener 6.2VD23 TRANSIL BZW06-5V8BD13,D16,D21,D22 TRANSIL BZW06-6V4BD14,D15,D17,D18,D19,D20 diodi 1N4148 (vedi testo)D24,D25 diodi 1N4148

J1 CONN JACK 3,5mm femmina da pannelloJ2 CONN JACK 6,3mm femmina da pannelloR1,R2 Resistori 5% 1/4W 120ohmR3 Resistore 1% 1/2W 9 M R4 Resistore 5% 1W 1 k R5 Resistore 1% 1/2W 1 M R6 Trimmer da cs 10KR7 Resistore 5% 1/4W 10KR8 Resistore 5% 1/4W 3.9KR9 opzionale, vedi testoSW1b,SW1a Interruttore due vie - due posizioniSW3 Interruttore una via - due posizioni SW4 Deviatore una via due posizioniU1,U3 circuito integrato LM7805-TO220U2,U4 circuito integrato LTC1044U5 circuito integrato CA3140AU6 circuito integrato ISO124P

Figura 2: la sezione di alimentazione.


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senza dell’opzione BOOST che elevandola frequenza di commutazione, evita di ge-nerare rumore direttamente in banda au-dio, cioè la gamma di frequenze di nostrointeresse. LTC1044 utilizza il principiodelle pompe di carica (vedi datasheetpag 5-12 e 5-13, REF11) per moltiplica-re, dividere o invertire di polarità la ten-sione in ingresso. La tensione di uscitanon è stabilizzata, quindi l’integrato èadatto dove occorra una compatta sor-gente di tensione negativa per alimen-tare pochi carichi a basso consumo, qua-le appunto il nostro caso.

TRANSILI componenti TRANSIL sono già stati de-scritti sulla rivista, vedi REF1, e quindinon mi dilungo. Ricordo solo che posso-no essere grossolanamente consideraticome veloci diodi zener con buone ca-pacità di dissipazione per brevi periodi. Mipreme qui sottolineare che per costru-zione questi componenti presentano unacapacità non trascurabile (il componenteusato in questo progetto, BZW04 5V8ha capacità di 4nF). L’uso di questi com-ponenti per la protezione delle linee disegnale va quindi studiata con attenzioneper non compromettere l’integrità del se-gnale stesso. Nel nostro caso, viste lebasse frequenze in gioco, l’effetto è mo-desto. E’ interessante però notare co-me l’impedenza di ingresso sia ridotta aqualche centinaio di kiloohm ad 1KHzdai 10 Mohm nominali. Una famiglia equi-valente è costituita dai Transzorb (nomeregistrato dal costruttore).

SCHEMA ELETTRICOIniziamo la descrizione dello schema par-tendo dal circuito alimentatore. Si è scel-to per semplicità l’alimentazione duale,suggerita dall’uso dell’Amplificatore di Iso-lamento. E’ possibile infatti utilizzare ISO124con alimentazione singola ma a spese diuna maggiore complessità circuitale (vediApplication Note REF 12). L’alimentazioneè fornita da due pile 9 V ciascuna delle qualialimenta un regolatore LM7805 per otte-nere la tensione di alimentazione positivaed un LTC1044 in cascata per ottenere latensione negativa. U1 ed U2 generanoVS1 e –VS1, alimentazioni dell’amplificatoredi ingresso. U3 ed U4 generano VS2 e

–VS2 utilizzate per l’alimentazione isolatadella sezione di uscita dell’Amplificatore diIsolamento U6. La durata prevista di bat-terie di buona qualità è circa dieci ore difunzionamento continuo. Notare che i duerami risultano elettricamente isolati e del tut-to indipendenti. Nel caso non sia impiegatoU6, tutta la circuiteria relativa ad U3 ed U4può essere omessa dal montaggio. In-gresso (pin 15) ed uscita (pin7) andrannoin tal caso cortocircuitati sul circuito stam-pato, come pure il pin 8 con la massadella circuiteria di U5. Descriviamo in det-taglio il ramo +/-VS1, tutti i commenti so-no validi anche per il ramo gemello +/-VS2. Immediatamente a valle del doppio in-terruttore SW1/SW2, troviamo un diodo inserie che realizza la protezione contro ac-cidentali inversioni di polarità. Una soluzioneancora migliore potrebbe essere l’inseri-mento di un ponte raddrizzatore, elimi-nando cosi la necessità di rispettare unapolarità definita per le connessioni di ali-mentazione. Tale soluzione comporta pe-rò un costo leggermente maggiore ed unulteriore aumento della caduta di tensionee potenza dissipata dalla nostra protezio-ne. Segue il condensatore di filtro principaleed una spia di accensione con un sempli-ce controllo della carica della batteria. IlLED si spegne quando la tensione di bat-teria scende sotto i 9 V. Abbiamo infatti chela tensione ai capi della resistenza R1/LEDè uguale a VBAT meno la caduta sul diododi protezione D2, meno la tensione di ze-ner. Diminuendo progressivamente VBATper la scarica della pila, la tensione residuadiventerà insufficiente ad accendere ilLED, segnalando cosi la necessità di pro-cedere alla sostituzione delle pile quandosegnalato. Il circuito con i componenti aschema è dimensionato per LED rossi conVF di 1.6 V nominali. Il circuito si può di-mensionare ed adattare a LED di diversocolore (aventi normalmente diverse tensionidirette) con l’equazione seguente:VBAT-0,7V= 120*I + VF+VzenerDove:VBAT va diminuita di 0.7 V per tenere con-to della caduta su D2, ove usato.La corrente I deve essere sufficiente aportare il diodo zener in zona attiva e ad ac-cendere il LED in modo visibile. VF è la ca-duta di tensione del LED scelto polarizza-to direttamente (diodo in conduzione). Nelprototipo il LED è completamente spento

a tensioni poco inferiori ad 8 V con un I cir-ca 8mA. R2, D10, D12 potrebbero essereomesse ipotizzando una sostituzione glo-bale delle pile. Il diodo D1 protegge il re-golatore U1 dalla corrente di scarica del ca-rico capacitivo offrendo una via alternativaa bassa impedenza, impedendo che so-vracorrenti siano iniettate nell’uscita delregolatore durante i transitori di spegni-mento. I datasheet ne raccomandano l’u-so nel caso di carichi fortemente capacitivie tensioni maggiori di 6V. Montare il diodonel nostro circuito non sarebbe quindistrettamente necessario ma previsto pereccesso di zelo. Il diodo D5 protegge l’a-limentatore da inversioni di polarità sulcarico. Viene inserito in alimentatori di usogenerale. Non essendo il nostro caso, po-trebbe essere tranquillamente omesso.U2 è connesso come invertitore di ten-sione con la funzione BOOST, già intro-dotta. Veniamo ora alla sezione di misura.Lavorando in banda audio viene comodoutilizzare come connettori di ingresso eduscita segnale dei jack 3.5 mm e 6.3mm.Un jack femmina mono (o stereo con unsolo segnale più massa utilizzati) è quindiimpiegato come connettore di ingressoda pannello per ciascun canale. Imme-diatamente dopo il connettore troviamoIl condensatore C14 che realizza l’accop-piamento AC, escludendo la componentecontinua dal segnale di ingresso. SW3chiuso permette di realizzare invece l’ac-coppiamento in CC, cortocircuitando ilcondensatore. Notare l’elevata tensionemassima sopportata da C14 che riduce lapossibilità di danni al componente in pre-senza di sovratensioni in ingresso. Es-sendo montato direttamente sul deviatoreSW3, non viene infatti protetto dal Trans-il D23 posto come prima protezione al-l’ingresso del circuito stampato. Il TransilBZW06-5V8 è stato scelto nella sua fami-glia di appartenenza avendo la tensione diintervento minore disponibile, 5.8V. E’possibile che la scheda audio del vostro PCabbia un condensatore in serie al segnaledi ingresso, la banda passante in questocaso non raggiungerà la continua e l’e-ventuale componente continua del se-gnale di ingresso non sarà comunque ri-prodotta. C14/SW3 sono seguiti dal par-titore di tensione a due posizioni, x1 ox10. In entrambi i casi l’impedenza no-minale di ingresso vista dal circuito sotto


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misura è 10 Mohm (vedi descrizione Trans-il). Troviamo poi la rete di protezione del-l’amplificatore composta da R4, D14 eD15. R4 limita la corrente di guasto even-tualmente iniettata nell’ingresso dell’Am-plificatore Operazionale ed è sovradi-mensionata in potenza e quindi tensionemassima sopportabile per poter resisterea fenomeni di sovratensione ripetuti neltempo. Va calcolata per limitare la cor-rente dovuta a sovratensioni residue ad unmassimo di 5mA. I diodi di clamp D14 eD15 entrano in conduzione quando le ten-sioni in ingresso sono più positive di +VS1o più negative di –VS1, rispettivamente,proteggendo gli ingressi dell’Amplificato-re Operazionale. Come spesso capita inelettronica, questo circuito è in realtà piùcritico di quanto sembri ad una prima oc-chiata. Pur usando per D14/D15 diodi ve-loci, i diodi di protezione integrati nell’in-

gresso dell’operazionale potrebbero entrarein conduzione per primi, sopportando ini-zialmente il maggior carico dell’over-stresselettrico. Per migliorare l’eff icacia diD14/D15, e quindi far si che assorbano lamaggior porzione di sovracorrente, è im-portante che l’induttanza associata alleloro connessioni sia la più piccola possibile.Le tracce di connessione ed i terminalidei diodi saranno quindi mantenuti piùcorti possibile. Componenti a montaggiosuperficiale offrirebbero un vantaggio in-trinseco in questa applicazione. Le correntidi perdita (leakage) dei diodi si aggiunge poialla corrente degli ingressi dell’Amplificatore(piccola ma non nulla), contribuendo ad unerrore di offset. L’errore può essere diver-so in funzione dell’attenuazione attiva, im-pedendo di compensarlo con una tara-tura. Inizialmente si erano sperimentatidiodi schottky tra i più facilmente reperibili,

BAT85. La minore soglia dei diodi schottkyrispetto ai diodi al silicio integrati, aiuterebbea garantire che entrino in conduzione in an-ticipo rispetto ai veloci ma poco capaci incorrente, diodi interni. L’elevato offset do-vuto all’importante corrente di leakage neha provocato la sostituzione con velocidiodi da commutazione, i classici 1N4148.Un’attenta ricerca di diodi schottky o tra-dizionali con basse correnti di leakagepuò quindi essere opportuna, qualora si vo-glia buona precisione in tensione conti-nua. Anche nel caso la propria schedaaudio sia accoppiata in alternata, è op-portuno rendere minimo l’offset, per farlavorare nelle migliori condizioni l’Amplifi-catore Operazionale. I diodi D24 e D25provvedono invece alla protezione degliingressi dell’OpAmp da eccessive tensio-ni differenziali, impedendo differenze mag-giori della loro tensione di caduta diretta,

CODI

CE M

IP 2

7905

9


60


circa 0.7V. Anche se siamo giustamenteabituati a considerare nulla la differenza ditensione tra gli ingressi, tale condizione èin realtà soddisfatta solo dall’Amplifica-tore Operazionale ideale. Nella realtà ingenerale non sarà cosi e può essere op-portuno limitare la tensione, considerandoche la massima tensione sopportabile trai pin 2-3 dal CA3140 è, da datasheet, 8 V.In questo caso la scelta dei componenti èmeno critica. L’amplificatore Operaziona-le U5 realizza la funzione amplificatore/adat-tatore di impedenza chiave dell’applica-zione. Per presentare un’elevata impe-denza di ingresso, evitando di caricare il cir-cuito sotto misura, si è scelta la configu-razione non invertente. Quando si desideriamplificazione unitaria, U5 è connessocome inseguitore omettendo R9 e sosti-tuendo R8 con un cortocircuito. Diversa-mente R8 ed R9 stabiliscono il guadagnocon la solita formula:A = 1 + R8 / R9La resistenza R8 può essere mantenuta an-che nella configurazione a guadagno uni-tario, come suggerito dal datasheet. La suafunzione consiste nel limitare la propaga-zione di eventuali sovratensioni ai circuiti in-terni con rischio di auto oscillazione o sa-turazione. Il condensatore C20 limita su-periormente la banda di funzionamentodel circuito. U5 prevede la possibilità di az-zeramento dell’offset di ingresso, utiliz-zata in sede di collaudo e taratura. I con-densatori C13/C21 e C15/C22 realizzanoil bypass delle alimentazioni. Gli elettroliti-ci assicurano bassa impedenza dell’ali-mentazione nelle basse frequenze, i cera-mici offrono bassa impedenza alle fre-quenze medie, prevenendo oscillazionispurie dei veloci circuiti interni all’OPAMP[vedi REF7]. Occorre sempre ricordareche i transistori interni ai circuiti integratipossono avere frequenze di taglio di cen-tinaia di megahertz, anche se il nostro cir-cuito applicativo è progettato per lavorarea frequenze audio. I diodi Transil D13 e D16realizzano la protezione dell’amplificatoreda Electrical Over Stress, per usare la no-menclatura anglosassone, provenienti dal-l’alimentazione. La loro soglia di interven-to dei componenti scelti BZW06-6V4 ècirca 6,4 V, ben all’interno dei limiti massimidi tensione sopportata dall’operazionale edabbastanza vicino al valore massimo dialimentazione presente nel circuito. Que-

sta protezione è importante in applicazio-ni con alimentazione da rete, realizzandouna rete di protezione a livelli multipli ecoordinati con le protezioni previste sugliingressi degli alimentatori. Lo scopo è ta-gliare le sovratensioni residue, semprepresenti perché nessuna protezione haun comportamento ideale. Nel nostro ca-so di alimentazione a batteria, la sua pre-senza è una precauzione utile soprattuttoverso ESD, si pensi ad esempio alla fase disostituzione pile. Quando si desidera l’i-solamento galvanico tra ingresso ed usci-ta, U6 è montato con sola funzione di se-parazione elettrica a guadagno unitario. Ilfiltraggio dell’alimentazione è realizzato inmodo semplice ma aderente ai suggeri-menti del costruttore. Il circuito di ingres-so di U6 non ha protezioni dedicate inquanto inserito a valle del frontend vero e

proprio, CA3140 che ha invece gli ingres-si esposti verso l’esterno adeguatamenteprotetti. I diodi D18…20 limitano la tensionedi cresta del segnale in uscita a circa 1.5Vpicco-picco, restando entro i limiti con-sigliati per il massimo segnale di ingressodelle moderne schede audio dei PC (tipi-camente 1 V efficace). Questo impediscela propagazione di eventuali segnali di livelloeccessivo applicati all’ingresso del frontend,ad esempio a causa di una non correttascelta dell’attenuazione. Come connetto-ri di uscita si sono nuovamente usati deijack femmina da pannello, in questo casoun jack stereo da 6.3mm. La connessionecon l’ingresso della scheda audio PC puòessere fatta con un corto cavo schermatointestato con connettori jack volanti maschi.Si raccomanda di non superare la lun-ghezza di 60 cm per non rischiare di in-

L’accumulo di cariche elettriche sta-tiche per strofinio è stato, insieme alfulmine, il primo fenomeno elettrico adessere conosciuto dal Genere Uma-no. Tutti noi ne sperimentiamo gli ef-fetti quando ‘prendiamo la scossa’ adesempio inserendo la chiave nellaserratura dell’auto in un giorno seccoo ventoso. Questo è precisamente unamanifestazione del fenomeno noto co-me ESD, Electro Static Discharge. Unaccumulo di carica statica comportal’instaurarsi di un potenziale elettrico(tensione). Il contatto o una ridottadistanza tra due corpi con potenziali di-versi provoca un brusco passaggio dicariche elettriche (scarica) che ri-equilibra i potenziali reciproci. Nonessendoci un generatore in grado di so-stenere il fenomeno, ed essendo quin-di limitate le energie in gioco, i trans-itori sono molto rapidi e si esaurisco-no in tempi molto brevi. Le tensioni ge-nerate dall’accumulo di carica pos-sono facilmente raggiungere parec-chi kilovolt (250 V fino a 15KV secon-do REF[4]). Il fenomeno di scarica(ESD) può quindi creare danni in strut-ture sensibili, quali i circuiti integra-ti, danneggiando gli isolamenti o pro-vocando la circolazione di correnti ec-cessive con fusioni totali o parzialidelle strutture microscopiche. Le ESDpossono avere effetti distruttivi palesi,

interrompendo il funzionamento di uncircuito integrato. Il loro effetto puòspesso essere subdolo, provocandomicro - danneggiamenti che possonoevolvere in guasto in seguito a ripetutiepisodi o instaurare un degrado delleprestazioni, pur non comprometten-do immediatamente in modo evidente,il funzionamento dell’apparato in cui ilcomponente è inserito. Tipico caso èl’aumento delle correnti di leakage iningressi di Amplificatori di segnale abasso livello. Per questa ragione ancheesperti professionisti possono essereportati a sottovalutare il fenomeno,dopotutto è difficile imputare un mal-funzionamento o un guasto ad ESDsenza applicare raffinate tecniche dianalisi. I documenti REF [3] e REF [5]riportano interessanti fotografie deidanni prodotti a strutture di circuitiintegrati da ESD e sovratensioni. L’in-tensità e frequenza dei fenomeni ESDdipende dalle caratteristiche dei ma-teriali interessati, dalle condizioni dipulizia delle superfici coinvolte, dal-l’umidità ambientale. I fenomeni ESDsono quindi difficili da classificare apriori. Esiste la necessità di avere da-ti di riferimento per dimensionare cor-rettamente le protezioni e progettare leidonee apparecchiature di prova. Lenormative internazionali hanno cer-cato a tal scopo di classificare le più

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trodurre problemi di stabilità per l’amplifi-catore di uscita dovuti al pilotaggio di ele-vati carichi capacitivi.

COLLAUDOIl circuito è alloggiato in un contenitore Te-ko mod 104, in plastica facilmente lavora-bile, con pannello metallico. Il pannello èstato forato, sono state realizzate le scrit-te con lettere trasferibili e poi protetto consmalto sintetico spray acquistato in ungrande magazzino per bricolage. Sonostati montati tutti gli interruttori e deviatorifacendo molta attenzione a non graffiare lasuperficie trattata. I cablaggi verso i con-nettori di ingresso ed uscita e verso i de-viatori sono stati realizzati con spezzonidi cavo schermato. Le calze sono statesaldate solo lato circuito stampato per evi-tare ground –loops. Assicurarsi che la cal-

za del cavetto che collega il jack di ingres-so con C14/SW3 sia connessa alla calza delcavetto che porta il segnale all’ingressodel circuito stampato. Le batterie sonostate fissate al fondo del contenitore con na-stro biadesivo, anche se sono disponibili incommercio clips per una più elegante so-luzione di montaggio. Come si può vederedalle fotografie, vi sono alcuni comandi econnettori di uscita aggiuntivi non ancoradescritti. Nello stesso contenitore ho, infatti,montato un piccolo generatore di onde si-nusoidali ed una sorgente DC calibrati.Essendo questi kit commerciali non sonodescritti nel presente articolo. L’insiemeAmplificatore più generatore di segnali co-stituisce un’elementare stazione di collau-do realizzata in poco spazio. Le sonde perprelevare i segnali dal circuito sotto misu-ra potrebbero essere realizzate con un

puntale da tester, con corto collegamentodi massa munito di coccodrillo ed unospezzone di cavetto schermato terminan-te con un jack maschio volante da inserirenel connettore di ingresso del nostro Fron-tend.Prepariamo il cavo di connessionedall’uscita al PC, usando uno spezzonedi cavo schermato intestati con jack stereo6,3 mm in partenza e jack stereo 3,5 mm inarrivo. Prepariamo anche un cavo jack ste-reo 3,5 mm - jack mono 3,5 mm per laconnessione dell’ingresso del Frontend infase di collaudo. L’unico strumento chesupporremo disponibile per procedere alcollaudo è un economico multimetro digi-tale (tester), oltre naturalmente al PC com-pleto del programma oscilloscopio di vostrascelta. Per quanto mi riguarda, la scelta ècaduta sull’ottimo programma Virtual Analy-zer, già varie volte presentato con buon

frequenti condizioni causanti ESD, cheun componente può incontrare nel pro-cesso di fabbricazione o nell’uso inservizio, definendone un modello. Le espressioni Human Body Model(HBM), Machine Model (MM), ChargedDevice Model (CDM) identificano I tremodelli attualmente definiti ed usaticome riferimento dall’industria ma-nifatturiera elettronica e dai costruttoridi semiconduttori, in particolare (permaggiori dettagli sulle normative ve-dere REF [6]) . Il modello HBM si ri-ferisce alla situazione descritta inapertura, un contatto dovuto ad un es-sere umano. Questa è probabilmentela più frequente sorgente di ESD anchein servizio per apparecchiature qualielettrodomestici, personal computer,strumentazione. Il modello MM cercadi descrivere ESD generate nel fun-zionamento di macchine, quali accu-muli di cariche dovute a parti in mo-vimento, è stato proposto estrapolan-do il caso peggiore per HBM. Anchequesto caso potrebbe ripresentarsi inservizio se classifichiamo qui la con-nessione di cavi, magari trascinatisul pavimento o superfici isolanti.Un’interessante analisi della scaricaelettrostatica dovuta a cavi è contenutain REF [8]. Il modello CDM simula i fe-nomeni ESD dovuti al contatto di uno opiù pin di circuito integrato, elettri-

camente carichi con una superfi-cie conduttiva a potenziale diverso(tipicamente massa), Questa situa-zione si può verificare soprattuttodurante le fasi finali della produ-zione del circuito integrato edurante l’assemblaggio suschede, più difficilmente incampo una volta che l’ap-plicazione sia stata

costruita. Per ciascuno dei modelli èstato definito un circuito equivalente eduna forma d’onda tipica, come ben ri-portato in REF [4]. Procedure e pre-cauzioni di manipolazione vengonocaldamente raccomandate dai co-struttori di dispositivi. Essi integra-no anche protezioni apposite nella cir-cuiteria degli Input/Output dei circui-ti integrati e semiconduttori in genere. Purtroppo, l’intensità dei fenomeniincontrata dalle apparecchiature elet-troniche è ben maggiore di quanto si ri-scontri nel controllato ambiente ma-nifatturiero. I livelli di tensione mas-sima delle specifiche a livello com-

ponente sono spesso simili ailivelli richiesti dalle normative

a livello sistema (applicazione). Quel-lo che cambia è il valore di picco del-la corrente di scarica che l’apparec-chiatura è chiamata a sopportare inservizio. Non essendo possibile ga-rantire che i nostri apparati sianoesenti da ESD durante la loro vita ope-rativa, è necessario quindi prevederele opportune protezioni supplemen-tari in fase di progetto, in modo daassistere ed alleviare l’eventuale in-tervento delle protezioni integrate.Essenzialmente tre sono le strategie dibase possibili, combinabili in varieconfigurazioni:1)Scegliere componenti con buoneprotezioni integrate per le funzioni diInput/output. E’ ad esempio il casodei driver/receiver per linee di comu-

nicazione RS232, CAN, USB etc dove sitrovano componenti capaci di resiste-re a picchi di tensione molto più elevatidegli standard 2KV. Non è infrequentetrovare componenti garantiti per 15KV.2)Protezione con elemento in parallelo.L’elemento non lineare in paralleloal circuito da proteggere, limitatal’ampiezza in tensione delle sovra-tensioni generate da ESD, offrendoun percorso a bassa impedenza versomassa per le tensioni elevate. Il piccodi corrente generato dal guasto fluisceattraverso la protezione e non attra-verso il circuito funzionale. Questa è lafunzione svolta nel nostro Frontendda Transil e Transzorb.3)Protezione con elemento in serie,destinato a limitare la corrente mas-sima circolante in seguito al fenome-no. Si riconoscerà qui la funzione di R4E’ infine interessante notare che lacircolazione di correnti impulsive conelevato contenuto di armoniche in al-ta frequenza, tipico dei fenomeni ESD,può indurre problemi di immunità elet-tromagnetica nei circuiti vittime del fe-nomeno. Questo aspetto collaterale, meglio in-dirizzato in testi riguardanti la Com-patibilità Elettromagnetica, contri-buisce a ridurre la robustezza del no-stro progetto ed offre ulteriori ragioniper prendere sul serio la mnaccia ESD.


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dettaglio sulla rivista. Questo programma hail vantaggio di possedere una funzione ge-neratore di segnale che ben si presta apilotare l’ingresso del nostro Frontend du-rante il collaudo. Il collaudo inizia prima dimontare gli amplificatori U5 ed U6 su en-trambi i canali di misura. Usando il tester co-me ohmetro nella portata più bassa dis-ponibile, assicuriamoci che non vi sianocortocircuiti tra l’ingresso alimentazione emassa, quindi tra anodo di D2 e D8 versomassa, se montati i diodi anti-inversione po-larità, o tra i capi di C4 e C10. Assicuriamocianche che non vi siano cortocircuiti traciascun polo delle quattro alimentazioni(+VS1, -VS1, +VS2, -VS2) e tutti gli altri, traciascun polo e massa e tra le due masseisolate. Inseriamo una spina jack in corto-circuito nei connettori J1, commutiamoSW4 in posizione attenuazione x1 e SW3 inposizione ‘DC’ (SW3 chiuso). Colleghia-mo BT1 e BT2, verifichiamo la corretta ac-censione dei LED D4 e D10. Usando il te-ster come voltmetro DC verifichiamo letensioni di alimentazione:VS1, VS2 +5V +/-5%-VS1, -VS2 -5V +/-5% Verifichiamo ora presenza e valore dellatensione di alimentazione di U5 ai pin 4 e 7e la tensione di uscita al pin 6 (attesi 0 V).Possiamo ora spegnere l’alimentazione edassemblare gli amplificatori U5. Usando il te-ster come Voltmetro AC, verifichiamo chenon vi siano tensioni alternate indice diauto oscillazioni sui pin 6 U5. Riportiamo iltester in DC e, sempre mantenendo la spi-na di corto circuito, regoliamo R6, per ri-durre a zero la tensione continua di uscitadi U5. Annulliamo in questo modo l’offset in-trodotto da sbilanciamenti dello stadio di in-gresso dell’operazionale. Verifichiamo chel’uscita non cambi significativamente por-tando SW4 in posizione x10. Verifichiamoora le tensioni di alimentazione di U6 aipin 1,9 e 2, 10. Se tutto è a posto, spe-gniamo il circuito, montiamo U6 e misu-riamo le sue tensioni di uscita in DC edAC. Non avendo U6 regolazioni di offset,eventuali tensioni continue resteranno co-me errore sistematico del nostro canaledi misura.Non dovremmo misurare ap-prezzabili tensioni AC.Rimuoviamo la spina di corto circuito emisuriamo la tensione di uscita per accer-tarci che non vi siano tensioni maggiori di1,5 V circa, DC o ac. Se tutto è a posto, do-

vremmo misurare solo una tensione di ru-more di qualche millivolt. Ora che siamo cer-ti dell’assenza di tensioni indesiderate epotenzialmente pericolose sull’uscita, pos-siamo collegare per la prima volta il no-stro Frontend all’ingresso della scheda au-dio del Personal Computer / Oscilloscopio.Verifichiamo con il tester l’assenza di cor-tocircuiti sui cavi tra segnale - massa esegnale - segnale. Verifichiamo con il testerpredisposto come voltmetro ac la presen-za del segnale sul contatto jack corri-spondente al segnale di ingresso, vediconfigurazione del programma nel seguito.Visual Analyzer non ha una calibrazionepermanente, misurando quindi il segnale inuscita con il voltmetro potremo quindi sta-bilire un rapporto tra le letture dell’oscillo-scopio ed i livelli di segnale in ingresso,tenendo presente che stiamo lavorandocon Amplificazione unitaria. Raccomandodi scegliere per questa misura una fre-quenza del segnale generato all’internodella gamma di frequenza del multimetro,solitamente piuttosto limitata, 1KHz è unbuon valore di riferimento. Il jack 3.5 del ca-vo di uscita del Frontend, va collegato allapresa jack azzurra (AUX) della scheda au-dio. Lanciamo il programma Visual Analy-zer. Suggerisco di impratichirsi nell’usodell’oscilloscopio e del generatore di funzioni(wave) selezionando come ingresso (barramenu, ultima voce a destra) la voce’mi-xer stereo’. Senza alcun bisogno di connessioni ester-ne, questa configurazione permette divedere subito l’effetto delle modificheapportate a livelli, frequenze e base deitempi.Notare che nel caso vengano dubbi circa lagenerazione dei segnali in uscita, saràsemplice sincerarsi della loro presenzacollegando le casse ed ascoltando i toni ge-nerati. Una volta a proprio agio, riverifi-cheremo di nuovo la qualità del segnale vi-sualizzato in condizioni di ingresso in cor-to circuito. L’ampiezza della fascia di rumoreci consente di valutare il rumore intrinsecodel nostro canale di misura (amplificatore,cavi, convertitore della scheda audio). E’ an-che utile osservare la traccia con l’ingres-so aperto.Colleghiamo il cavo jack 3.5-jack3.5 all’u-scita altoparlante del PC. Questo sarà il nostro generatore di fun-zioni con cui valutare le prestazioni del

Frontend sotto test. Impostiamo l’oscillo-scopio:• Selezioniamo sulla barra menù a destra‘Linea Ingresso’.• Trigger ON, slope positiva. • Asse x, 0.97ms/div (vedremo cosi circa unperiodo a quadretto del segnale ad 1KHz.).• Tutti i filtri disabilitati (default).Abilitiamo l’Oscilloscopio con un click su‘ON’, barra menù a sinistra.Impostiamo poi il generatore, barra menù‘wave’:• Frequenza 1000 (Hz).• Wave Function SINE.• Livello di uscita circa 100mV (40% inquesto caso).• Enable.Accendiamo il Frontend e facciamo unclick sul pulsante ‘ON’ del pannello wave. Ora se tutto è a posto dovremmo vederenella finestra Oscilloscopio la sinusoide ad1 kHz in uscita dal nostro Frontend. Non sidovrebbero notare distorsioni apprezza-bili della sinusoide e la traccia dovrebbe es-sere pulita, senza rumore sovrapposto.Possiamo ora commutare il partitore di in-gresso in posizione x10 verificando l’at-tenuazione del segnale di ingresso. Verifi-cheremo poi che il deviatore ac/dc nonintroduca variazioni apprezzabili del no-stro segnale alternato, privo di compo-nente continua. Possiamo ora misurare labanda passante del nostro Frontend. Ri-torniamo al menù ‘Wave’ e scegliamo Wa-ve Function Sweep. Osserviamo la fine-stra Spectrum Analyzer, vedremo una rigaspostarsi da sinistra verso destra, inizial-mente di ampiezza costante e poi decre-scente. Il generatore di funzione genera, in-fatti, una frequenza singola, da cui la riganello spettro, frequenza progressivamentecrescente. Applicheremo la definizione dilarghezza di banda, leggendo il valore in de-cibel sulla scala Y dello Spectrum Analyzere cercando il punto sull’asse X per cuil’ampiezza è diminuita di 3 dB. La fre-quenza corrispondente è al limite supe-riore della banda passante. Possiamo an-che servirci di un cursore posizionato 3dBsotto l’ampiezza a bassa frequenza. Nelprototipo la banda passante è risultata cir-ca 16KHz, un po’ inferiore a quanto attesoed alla specifica desiderata ma sufficienteper gli scopi prefissi. Questa è in realtà labanda passante complessiva del canaledi misura considerato, Generatore – Fron-


tend – Ingresso scheda audio. Senza stru-mentazione esterna più sofisticata, nonabbiamo modo di raffinare la nostra indaginee verificare quale sia il fattore limitante.

USO DELLO STRUMENTOL’uso dello strumento è molto semplicema sono opportuni alcuni accorgimentioperativi. Le connessioni tra Frontend ePC andrebbero effettuate preferibilmentecon entrambe le apparecchiature spente.Prima di toccare cavi e Frontend sugge-risco di premere il palmo della mano con-tro il contenitore metallico del PC. In unmoderno impianto elettrico, infatti, e co-munque in un impianto eseguito a norma,il conduttore di terra mette a massa tuttele carcasse metalliche delle apparec-chiature collegate alla rete. In questo mo-do scarichiamo l’energia statica accu-mulata su di noi e preveniamo, almeno perqualche tempo, la generazione di feno-

meni ESD. Il jack 3.5 del cavo di uscita vacollegato alla presa jack azzurra (AUX).Questo permette di evitare trattamentidel segnale e/o filtraggi non graditi nel-l’applicazione di cui ci stiamo occupando.Siamo, infatti, interessati a vedere nelmodo più fedele possibile il segnale pre-sentato all’ingresso. L’amplificatore do-vrebbe essere inizialmente predispostocon attenuatore x10 e SW3 aperto (ac).Partiamo quindi dalla condizione di at-tenuazione massima e ci portiamo in se-guito nelle condizioni operative più idoneead osservare il segnale sotto esame. Evi-tiamo in questo modo il rischio di espor-re ad elevati potenziali gli stadi di ingres-so del nostro strumento. Analogamen-te, quando utilizziamo strumenti di mi-sura su segnali non ben conosciuti, par-tiamo dalla portata più elevata aumen-tando gradualmente la sensibilità. Trat-tandosi di un amplificatore di tensione, lostrumento andrà connesso in parallelo

ai circuiti da ispezionare, la sua sondadi ingresso va usata come la sonda diun voltmetro o di oscilloscopio.

CONCLUSIONIAbbiamo definito uno schema con tutte leprotezioni e lo abbiamo poi ridotto ad unragionevole minimo, ragionando sul con-testo in cui lo strumento è destinato adoperare. Abbiamo svolto, nel nostro pic-colo, la ricerca del compromesso costo-prestazioni, preoccupazione costante diogni progettista. Abbiamo anche intro-dotto precauzioni d’uso per evitare fe-nomeni ESD, molto importanti per co-adiuvare le protezioni aggiunte al circuito.Spero abbiate trovato interessante la de-scrizione completa della costruzione di unpiccolo ma utile strumento per un labo-ratorio casalingo in miniatura. ❏

CODICE MIP 500167

CODI

CE M

IP 2

7906

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