Obiettivi formativi
1) Conoscenza e comprensione
Scopo del modulo di Elettronica industriale è fornire agli studenti una conoscenza di base di:
- dispositivi di rilevamento e trasduzione di interesse in ambito elettro-meccanico
- circuiti per l'elaborazione analogica dei segnali con utilizzo di amplificatori operazionali
- semplici circuiti digitali combinatori e sequenziali
- principi fondamentali e metodi di controllo automatico analogico e digitale
- convertitori elettronici di potenza
2) Capacità di applicare conoscenza e comprensione
Le competenze che lo studente potrà acquisire con questo insegnamento sono:
- la capacità di individuare i componenti di rilevamento e trasduzione opportuni per una determinata applicazione in base alle loro caratteristiche e alle specifiche del problema
- la capacità di analizzare il funzionamento di semplici circuiti basati su amplificatori operazionali
- la capacità di analizzare e dimensionare semplici sistemi di controllo automatico analogico
- la capacità di sintetizzare funzioni logiche combinatorie in forma minima
- la capacità di analizzare il funzionamento dei principali circuiti per la conversione statica dell'energia elettrica e di valutarne le prestazioni in base alle forme d'onda di tensione e corrente
Prerequisiti
Si presuppone nello studente la familiarità con le nozioni di matematica, fisica, elettrotecnica ed elettronica impartite dal Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica.
Contenuti dell'insegnamento
1. Cenni sui dispositivi a semiconduttore e sugli interruttori di potenza
2. Conversione statica dell'energia elettrica
3. Sensori e trasduttori
4. Condizionamento del segnale
5. Segnali digitali
6. Controlli in retroazione
Programma esteso
1. Cenni sui dispositivi a semiconduttore e sugli interruttori di potenza - 4 ore
Diodo pn. Transistore bipolare npn. MOSFET a canale n e a canale p. IGBT.
2. Conversione statica dell'energia elettrica - 16 ore
Introduzione e parametri di merito dei convertitori. Raddrizzatore a singola semionda; carica-batterie. Raddrizzatore a onda intera con secondario a presa centrale. Raddrizzatore a ponte. Filtri passa-basso. Raddrizzatore a ponte con carico RLE. Raddrizzatore a ponte trifase. Convertitori DC/DC di tipo "switching": Buck, Boost, Buck-Boost; convertitore DC/DC a ponte; modulazione PWM. Convertitori DC/AC (inverter): inverter a mezzo ponte; inverter a ponte intero; inverter trifase. Modulazione degli inverter a ponte: PWM a impulso singolo, a impulsi multipli, sinusoidale; modulazione "space vector".
3. Sensori e trasduttori - 6 ore
Terminologia. Spostamento, posizione e prossimità: potenziometri; sensori capacitivi; sensori induttivi; encoder ottici; interruttori di prossimità; sensori ad effetto Hall. Velocità e moto: dinamo tachimetri; generatore AC; sensori piroelettrici. Forza e pressione: celle di carico; sensori piezoelettrici. Temperatura: strisce bimetalliche; RTD; termistori; termodiodi e termotransitor; termocoppie. Sensori ottici: fotodiodo; fototransistor; fotoresistore; CCD.
4. Condizionamento del segnale - 16 ore
Amplificatori e funzioni di rete. Amplificatori differenziali. Amplificatori operazionali: comportamento in frequenza. Esempi di applicazione degli amplificatori operazionali. Amplificatore 741. Amplificatore per strumentazione: INA114. Amplificatore logaritmico. Comparatore. Circuiti di protezione ed isolamento. Filtri passivi ed attivi. Ponte di Wheatstone. Conversione A/D: campionamento e teorema di Shannon. Convertitori D/A: weighted resistor DAC; ladder DAC; ZN558D. Convertitori A/D: ADC ad approssimazioni successive; ZN439; cenni sui convertitori flash. Amplificatore sample & hold. Multiplexer. Schede di acquisizione dati.
5. Segnali digitali - 4 ore
Circuiti digitali combinatori: operatori logici; leggi di De Morgan; mappe di Karnaugh; generatore di parità; comparatore; decoder. Circuiti digitali sequenziali: flip-flop SR asincrono e sincrono; flip-flop D e T; flip-flop JK; registri; timer 555.
6. Cenni sui controlli digitali - 2 ore
Controllori digitali. Controllo adattativo.
Bibliografia
Argomenti 3, 4, 5, 6:
W. Bolton, "Mechatronics - electronic control systems in mechanical and electrical engineering", 4th ed., Pearson Educational, ISBN 978-0-13-240763-2.
Argomenti: 1, 2:
M. Rashid, "Power electronics", 3rd ed., Prentice-Hall, ISBN 0-13-122815-3.
Argomenti 1, 4:
R. Menozzi: "Appunti di elettronica", 2a edizione, Pitagora Ed., ISBN 88-371-1624-1.
Metodi didattici
Lezioni frontali.
E’ previsto lo svolgimento di esercizi in aula, svolti sia dal docente che dagli studenti. Parte delle lezioni utilizzano slide disponibili agli studenti per il download.
Modalità verifica apprendimento
L’esame consiste in una prova orale.
L'orale è unico per i due moduli integrati di "Azionamenti elettrici" ed "Elettronica industriale". Durante la prova lo studente dovrà dimostrare di conoscere i componenti ed i circuiti trattati nelle lezioni e di averne compreso e saperne descrivere il funzionamento. Si attribuisce importanza anche all'analisi quantitativa, svolta con calcoli manuali di prima approssimazione, dei circuiti e sistemi trattati.
Altre informazioni
Le pagine web dell'insegnamento sono reperibili sulla piattaforma Elly.
Obiettivi agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile
Questo insegnamento concorre alla realizzazione degli obiettivi ONU dell'Agenda 2030 per lo Sviluppo Sostenibile
