Elettronica Industriale - Riassunto

CI Elettronica Industriale

1. Introduzione ........................................................................................................................ 4

2. Trasduttori .......................................................................................................................... 5

2.1 Classificazione ......................................................................................................................... 5

2.1.1 In base alla grandezza che rilevano .............................................................................................................. 5

2.1.2 Attivi e passivi ............................................................................................................................................... 5

2.1.3 Analogici e digitali ......................................................................................................................................... 5

2.2 Caratteristiche dei trasduttori .................................................................................................. 5

2.2.1 Caratteristiche statiche ................................................................................................................................. 5

2.2.1.1 Funzione di trasferimento .................................................................................................................... 5

2.2.1.2 Sensibilità = Pendenza curva = Guadagno del trasduttore .................................................................. 6

2.2.1.3 Risoluzione ........................................................................................................................................... 6

2.2.1.4 Linearità ............................................................................................................................................... 6

2.2.1.5 Range di funzionamento ...................................................................................................................... 6

2.2.1.6 Soglia .................................................................................................................................................... 6

2.2.1.7 Isteresi .................................................................................................................................................. 6

2.2.1.8 Errore ................................................................................................................................................... 6

2.2.2 Caratteristiche dinamiche ............................................................................................................................. 7

2.2.2.1 Comportamento nel tempo ................................................................................................................. 7

2.2.2.2 Comportamento in frequenza .............................................................................................................. 7

2.2.3 Altre caratteristiche ...................................................................................................................................... 7

2.2.3.1 Condizioni ambientali........................................................................................................................... 7

2.2.3.2 Affidabilità ............................................................................................................................................ 7

2.2.3.3 Ripetibilità ............................................................................................................................................ 7

2.2.3.4 Stabilità ................................................................................................................................................ 7

2.2.3.5 Effetto di carico .................................................................................................................................... 7

2.3 Trasduttori di posizione o spostamento lineare (TPL) ............................................................... 8

2.3.1 Trasduttori a potenziometro resistivo .......................................................................................................... 8

2.3.2 Trasduttori a potenziometro capacitivo ....................................................................................................... 8

2.3.3 Trasduttore capacitivo cilindrico ................................................................................................................ 10

2.3.4 LVDT (= Linear Variable Differential Transformer)...................................................................................... 11

2.4 Trasduttori di posizione angolare (TPA) .................................................................................. 13

2.4.1 TPA a potenziometro resistivo .................................................................................................................... 13

2.4.2 Encoder ....................................................................................................................................................... 13

2.4.2.1 Encoder assoluto ................................................................................................................................ 14

2.4.2.2 Encoder incrementale ........................................................................................................................ 15

2.5 Trasduttori di velocità ........................................................................................................... 17

2.5.1 Analisi preliminare ...................................................................................................................................... 17

2.5.2 Trasduttore elettromagnetico di velocità lineare ....................................................................................... 18

2.5.3 Trasduttori di velocità angolare .................................................................................................................. 18

2.5.3.1 Trasduttore elettro-ottico .................................................................................................................. 18

2.5.3.2 Trasduttore a dinamo tachimetrica ................................................................................................... 19

2.5.3.3 Trasduttore a carica e scarica capacitiva............................................................................................ 21

2.5.3.3.1 Rete di condizionamento .............................................................................................................. 22

2.6 Trasduttori di accelerazione ................................................................................................... 23

2.6.1 Trasduttori di accelerazione massa-molla .................................................................................................. 23

2.6.2 MEMS .......................................................................................................................................................... 25

2.6.2.1 Trasduttori di accelerazione MEMS ................................................................................................... 25

2.6.3 Trasduttori di accelerazione piezo elettrici ................................................................................................. 29

2.6.3.1 Materiali non P.E. ............................................................................................................................... 29

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2.6.3.2 Materiali P.E. ...................................................................................................................................... 30

2.7 Trasduttori di deformazione .................................................................................................. 33

2.8 Rivelatori di radiazioni ........................................................................................................... 36

2.8.1 Fotodiodo .................................................................................................................................................... 37

2.9 Trasduttori di temperatura .................................................................................................... 40

2.9.1 Termocoppie e termopile ........................................................................................................................... 40

2.9.2 Termistenze e termistori ............................................................................................................................. 43

2.9.3 Trasduttori di temperatura integrati .......................................................................................................... 46

3. Reti di condizionamento .................................................................................................... 48

3.1 Reti per segnali in continua .................................................................................................... 48

3.1.1 L’amplificatore ideale ................................................................................................................................. 48

3.1.2 Amplificatore di tensione ............................................................................................................................ 49

3.1.2.1 Amplificatore di tensione invertente ................................................................................................. 49

3.1.2.2 Amplificatore di tensione non invertente .......................................................................................... 50

3.1.2.3 Buffer di tensione ............................................................................................................................... 51

3.1.2.4 Amplificatore di tensione differenziale .............................................................................................. 52

3.1.2.5 Amplificatore di tensione da strumentazione .................................................................................... 53

3.1.3 Amplificatore di corrente ............................................................................................................................ 54

3.1.4 Amplificatore di carica ................................................................................................................................ 55

3.1.5 Amplificatore per misura di R o G ............................................................................................................... 55

3.1.6 Circuiti a ponte ............................................................................................................................................ 56

3.1.7 Rilevatore pezzi su nastro ........................................................................................................................... 57

3.2 Reti per segnali in alternata (raddrizzatori) ............................................................................ 57

3.2.1 Raddrizzatori asincroni ............................................................................................................................... 58

3.2.1.1 Rilevatori di picco ............................................................................................................................... 58

3.2.1.2 Rilevatori di inviluppo ........................................................................................................................ 58

3.2.1.3 Superdiodo (Raddrizzatore a singola semionda saturante NON INVERTENTE) ................................. 60

3.2.1.4 Superdiodo (Raddrizzatore a singola semionda NON saturante INVERTENTE) ................................. 61

3.2.2 Raddrizzatori sincroni ................................................................................................................................. 62

3.2.2.1 Raddrizzatori sincroni 1 (basato su raddrizzatore comandato) ......................................................... 63

3.2.2.2 Raddrizzatori sincroni 2 (basato su raddrizzatore a ponte) ............................................................... 66

4. Trasmissione del segnale (3 problemi) ............................................................................... 68

4.1 Problema 1: potenziali masse ................................................................................................ 68

4.2 Soluzione problema 1 ............................................................................................................ 69

4.3 Problema 2: campi elettrici .................................................................................................... 69

4.4 Soluzione problema 2 ............................................................................................................ 70

4.4.1 Prima opzione: regole basso effetto di carico ............................................................................................ 70

4.4.2 Seconda opzione: cavo schermato ............................................................................................................. 71

4.4.3 Terza opzione: trasmissione differenziale .................................................................................................. 72

4.5 Problema 3: campi magnetici ................................................................................................. 73

4.6 Soluzione problema 3 ............................................................................................................ 73

5. Controllori ......................................................................................................................... 74

5.1 Collegamento a (microProcessore) ................................................................................... 74

6. Attuatori (azionamenti elettrici) ........................................................................................ 75

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6.1 Sistemi di conversione (SdC) .................................................................................................. 76

6.1.1 Analisi iniziale .............................................................................................................................................. 76

6.1.2 Valvole elettroniche .................................................................................................................................... 77

6.1.2.1 Diodi di potenza ................................................................................................................................. 77

6.1.2.2 Tiristori ............................................................................................................................................... 80

6.1.2.2.1 SCR=Silicon Controlled Rectifier ................................................................................................... 80

6.1.2.2.1.1 SCR con carico resistivo ......................................................................................................... 82

6.1.2.2.1.2 SCR con carico capacitivo ...................................................................................................... 85

6.1.2.2.1.3 SCR con carico induttivo ........................................................................................................ 86

6.1.2.2.2 TRIAC= Triode Alternate Current .................................................................................................. 87

6.1.2.3 Interruttori controllati ........................................................................................................................ 88

6.1.2.3.1 BJT = Bipolar Junction Transistor .................................................................................................. 88

6.1.2.3.2 MOSFET = Metal Oxide Semicondutor Field Effect Transistor ...................................................... 90

6.1.2.3.3 GTO = Gate Turn Off transistor ..................................................................................................... 91

6.1.2.3.4 IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor ...................................................................................... 91

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1. Introduzione

Obbiettivo del corso:

Studiare il controllo di processi industriali tramite sistemi di regolazione

con cui si impone ad una variabile di processo (pv = process value) di

raggiungere e mantenere un determinato valore (sp = set point).

Quindi ci occupiamo di questi 4 blocchi:

1.1. Trasduttori (T)

1.2. Reti di condizionamento

1.3. Controllori

1.4. Attuatori 4

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2. Trasduttori

Dispositivo che converte una Grandezza Fisica (GF) qualsiasi (T,x,v,a,…) in una

grandezza elettrica (V,I, Q = carica) oppure in un parametro di tipo elettrico (R, C, L).

2.1 Classificazione

2.1.1 In base alla grandezza che rilevano

• Temperatura

• Posizione o spostamento

• Velocità

• Accelerazione

• Deformazione

• Intensità luminosa

2.1.2 Attivi e passivi

• Attivi: non richiedono alimentazione

• Passivi: richiedono alimentazione

2.1.3 Analogici e digitali

• Analogici: grandezza elettrica continua

• Digitali: grandezza elettrica discreta

2.2 Caratteristiche dei trasduttori

2.2.1 Caratteristiche statiche

Caratteristiche normalmente sufficienti per descrivere il funzionamento del trasduttore a cui si

riferiscono: non si tengono in considerazione le caratteristiche riguardanti le tempistiche di risposta

poiché nel sistema di controllo ci sono parti più lente.

2.2.1.1 Funzione di trasferimento

Indica il legame tra la grandezza fisica in ingresso e la grandezza/parametro

elettrico in uscita: si tratta quindi di funzioni biunivoche, poiché non si possono

avere per un solo valore della GE più corrispondenze come GF.

CASO IDEALE: andamento lineare, ovvero diretta proporzionalità tra ingresso e

uscita.

CASO REALE (non ideale): se possibile cerco di attuare una linearizzazione del

funzionamento del trasduttore. O limito la zona di funzionamento del trasduttore

ad una zona lineare “naturalmente”, oppure interpolo la Fdt reale con una Fdt

ideale, la quale presenta però un andamento appunto lineare.

Altrimenti si deve lavorare con la Fdt reale fornita in forma

- Matematica GE=f (GF)

- “Tabelle” GE|GF

- Curve di taratura 5

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2.2.1.2 Sensibilità = Pendenza curva = Guadagno del trasduttore

Rapporto tra la variazione della grandezza elettrica e la variazione della grandezza

fisica che ha generato tale spostamento.

Δ

= =

Δ

CASO IDEALE: S = K (andamento lineare della fdt)

CASO REALE: S=f(GF)

2.2.1.3 Risoluzione

Minima variazione della grandezza fisica GF apprezzabile per mezzo di una

variazione d