Automazione di un parcheggio Classe 5 B 2007/2008 AREA DI PROGETTO

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1 Automazione di un parcheggio Classe 5 B 2007/2008 ITIS G. Galilei Albenga AREA DI PROGETTO 1

2 Elenco Alunni: 1. Barberis Gianluca 2. Beltramo Luca 3. Benincasa Roberto 4. Cacciò Chiara 5. Casagni Kevin 6. Donzellini Roberto 7. Lisotto Andrea 8. Merchionne Umberto 9. Mosca Marco 10. Piazza Pierfranco 11. Ratto Fabiano 12. Ravaschino Mattia 13. Richero Emanuele 14. Robaldo Mattia 15. Scarlatta Michel 16. Sciarrotta Christian 17. Toma Alessandro 18. Vacca Rossano 19. Vruna Riccardo Professori: Ing. Cirio Giovanni P.I. Bianco Fernando 2

3 Progetto: Ad un parcheggio auto privato di 16 posti si accede tramite un ingresso ad una sola corsia lunga 150m. Gli ingressi e le uscite devono essere gestite a senso alternato secondo le specifiche seguenti. Specifiche: l'accesso al parcheggio è consentito con un unico passo carrabile,largo tre metri e lungo centocinquanta metri.nel parcheggio sono disponibili 16 posti auto. Si desidera gestire a senso unico alternato. Impedire l'entrata quando il parcheggio è pieno. I sensori sono lungo il passaggio SE1 si trova all'estremità adiacente la strada;si1 si trova all'estremità adiacente al parcheggio. La sbarra SB è normalmente chiuso e si apre solo quando transita un'auto. Un sistema di conteggio deve misurare il numero di posti occupati o liberi e bloccare l'apertura in entrata della sbarra quando il parcheggio è pieno,sul lato strada su deve accendere la scritta pieno. In prossimità dell'accesso lato strada una scritta lampeggiante attendere segnala se il passaggio è impegnato da un'auto che sta uscendo analogamente dal lato parcheggio una scritta lampeggiante segnala se un'auto sta entrando. Quando un'auto entra appena rilevata dal SE1 si deve accendere la scritta attendere sul lato parcheggio quando è rilevata dal SE2 si deve alzare la sbarra,passando attraverso SI2 si deve abbassare la sbarra e incrementare il contatore dei posti occupati,passando attraverso SI1 si spegne il lampeggio dal lato parcheggio,quando un'auto esce le operazioni sono in ordine inverso. Planimetria 3

4 Schema a blocchi: (Beltramo) SI 1 SI 1 Macchina a stati Contatore U/D posti liberi SI 2 SI 2 M SE 2 sbarra SE 2 semaforo Display posti liberi SE 1 SE 2 Lampada + display Pilotaggio motore sbarra 555 pilot TX Ipotesi di Lavoro sul Progetto: I semafori vengono sempre rispettati dagli automobilisti. Stato di S1 e S4: se valgono 1 vi è passaggio di auto; se valgono 0 non vi è passaggio di auto. Si usa un Contatore avanti indietro per i posti liberi. Per gestire il Contatore usiamo 2 bit: 00 CONTATORE FERMO INCREMENTO 10-1 DECREMENTO 11 NON SI VERIFICA Per il semaforo: V V R R V R V R Usiamo 2 bit,uno per ogni lampada con l' assegnazione {0 VERDE ; 1 ROSSO. 4

5 Ogni stato è quindi del tipo: semaforo lato parcheggio STATO / X X X X contatore Automa: (modello di Moore) semaforo lato strada Q2 Q1 Q0 S1 S4 C RC1 MEM RCU Diagramma a Stati: (Benincasa, Scarlatta) Gli stati sono 6, abbiamo bisogno di 3 bit per indicare: STATO Ø = STATO 1 = STATO 2 = STATO 3 = STATO 4 = STATO 5 =

6 Pertanto nella rete combinatoria d' ingresso abbiamo la seguente tabella: Rete combinatoria di ingresso: (Toma, Piazza) tabella di verità della RCI e Mappa di Karnaught della RCI (Toma, Piazza, Ravaschino) S1 S4 Q2 Q1 Q0 Q2f Q1f Q0f

7 Mappe: S1 0 1 S4 Q2 Q1Q x x 11 0 x x x 0 S4 Q2 Q1Q x x x x x 11 x x x x 10 x 1 x x Q2f = S1(Q1*Q2+Q1*S4)+S1*S4*Q2 S1 0 1 S4 Q2 Q1Q x x 11 0 x x x 1 S4 Q2 Q1Q x x x x x 11 x x x x 10 x 1 x x Q1f = S1(Q1*Q0*S4*Q2+Q1*S4+Q1*Q0*S4*Q2)+S1*S4*Q2 S1 0 1 S4 Q2 Q1Q x x 11 0 x x x 1 S4 Q2 Q1Q x x x x x 11 x x x x 10 x 0 x x Q0f=S1(Q1*S4*Q2+Q1*S4)+S1*S4*Q2 7

8 Progetto della rete RCU (Barberis, Vruna, Merchionne) Q1Q0 OO O Q C1=Q1 Q Q1Q0 OO O Q Q1Q0 OO O Q Q1Q0 OO O Q C0=Q1 Q0 Q2 S1=Q1 Q0 Q2 + Q2 S0=Q1 Q0 Q2 Q2 Q1 Q0 C1 C0 S1 S

9 Schema elettrico della macchina a stati Realizzata con circuitmaker S1 S4 0V 0V U2C U2B U6D U10A U4B U16A clock CP1 CP2 Q1 Q2 U5A U4A D CP Q _ Q Q2 U11A U10C U1B U9B U10D U15B D CP D CP Q _Q Q _ Q Q1 Q0 U16C U16D L4 L2 S2 0V U8A U12B U10B U12C U4D U16B U4C U7A U3A U2D U15C U13A U15D L1 L3 U2E U2F L5 L6 le uscite dalle porte U16C e U16D sono gli ingressi del contatore U/D Contatore U/D (Toma, Piazza) Altra versione: V2 0V V3 0V V1 5V U3A V5 5V V1 5V V4 0V U1 U2B U2A 4 74LS191 CE 14 CP 11 PL 5 U/D 9 D3 10 D2 1 D1 15 D0 13 RC 12 TC 7 Q3 6 Q2 2 Q1 3 Q0 L5 L1 L2 L3 L4 DISP Gnd I D R1 1.5k R2 1.5k 4 74LS DM9368 A3 A2 A1 A0 g f e d c b a.gfedcba LT RBI RBO 9

10 Alimentatore duale: (Beltramo, Donzellini, Vacca) 10

11 Trasmettitore a infrarossi: +12V NE Gnd Vcc 8 3 Trg Dis Out Thr 4 Rst Ctl nF 1k C B E 120 D1 LED TX Ra 1.5k Rb 15k 47nF (Barberis, Merchionne, Vruna) sbroglio: 11

12 Ricevitore a infrarossi: (Barberis, Merchionne, Vruna) +12V 15K +5V 10K 33-12V 1M RX IR 0.1uF 100k + 10k OUT 10k +12V -12V Il diodo SCR I thyristors rappesentano una famiglia di semiconduttori piuttosto particolari, caratterizzati dal funzionamento tipo "switch" (ovvero "interruttore"), e formati dalla sovrapposizione di quattro strati p-n-p-n disposti a sandwich. I tiristori sono utilizzati nei circuiti di commutazione e controllo della potenza, sia con tensioni continue che con tensioni alternate. In questa sede parleremo dei componenti più comuni, ovvero il diodo SCR, il TRIAC, il DIAC ed il transistor unigiunzione (UJT) Confrontando la composizione di un SCR col comune diodo visto nelle lezioni precedenti, si osserva che il diodo SCR è costituito da tre giunzioni (figura 1, parte sinistra): - una giunzione PN (indicata con g1) 12

13 - una giunzione NP (g2) - una seconda giunzione PN (g3) Sempre in figura 1, a destra, vediamo la rappresentazione simbolica di un SCR, con un anodo, un catodo ed un elettrodo in più: il gate. Se colleghiamo all'anodo una tensione positiva rispetto al catodo, a differenza del diodo comune, il diodo SCR non lascia passare corrente; succede infatti che, mentre le giunzioni g1 e g3 sono polarizzate nel giusto verso, la giunzione g2 risulta polarizzata inversamente, e quindi blocca il passaggio della corrente. Se tuttavia si applica sull'elettrodo gate, che è collegato alla giunzione g2, una tensione positiva rispetto al catodo, tale da causare l'effetto valanga nella giunzione stessa, questa passa in conduzione e la corrente fluisce nel diodo. Il funzionamento del diodo SCR può essere compreso immaginandolo come composto da due transistor collegati nel modo che si vede in figura 2. Applicando all'anodo una tensione posistiva rispetto al catodo, non passa alcuna corrente, poichè sia il transistor PNP che quello NPN, mancando una tensione di base, risultano interdetti. Se tuttavia si applica al gate (e quindi alla base del transistor NPN) una tensione Vi, positiva rispetto al catodo, tale da provocare la conduzione del transistor, si innesca un processo che è autorigenerante. Il transistor NPN, infatti, cominciando a condurre, fa passare corrente nella base del PNP; questo a sua volta inizia a condurre, e la corrente che lo attraversa entra sulla base del transistor NPN, mandandolo in conduzione ancora più spinta. A questo punto, non ha alcuna importanza se la tensione Vi sul gate è sempre presente o meno: innescata la conduzione, il diodo SCR continua a condurre in maniera autonoma, finchè non si toglie alimentazione al circuito. Osserviamo due importanti differenze fra il transistor, anch'esso dotato di tre terminali, ed il diodo SCR: 1- la corrente che passa nel circuito di collettore di un transistor è proporzionale alla corrente di base; la corrente in un diodo SCR non può assumere valori intermedi: o passa o non passa 2- Se nel transistor rimuoviamo la tensione di base, il transistor non conduce più; il diodo SCR, una volta portato in conduzione, non è più comandabile dall'elettrodo di controllo: continua a condurre anche rimuovendo la tensione dal GATE. La figura 3 mostra la caratteristica del diodo SCR. Nel quadrante destro in alto si vede che il 13

14 diodo non conduce finchè non si raggiunge una tensione detta di "breakover"; superata tale tensione, la curva torna indietro e diventa quella di un normale diodo rettificatore. Lo stesso effetto, ovvero il passaggio alla conduzione, può essere raggiunto applicando al gate una piccola tensione positiva (siamo nella regione dello stato "ON", ovvero della conduzione diretta). I L è la "latching current" (corrente di scatto), ovvero la corrente necessaria per innescare la conduzione, mentre I H è la "holding current" (corrente di mantenimento), ovvero la minima corrente sufficiente a mantenere il diodo in conduzione; il grafico di figura 4 mostra, per un determinato tipo di SCR, il valore di tali correnti in funzione della temperatura. Dal lato opposto è tracciata la caratteristica inversa, che risulta uguale a quella di un comune diodo raddrizzatore, con il passaggio di corrente dovuto all'effetto valanga che si produce quando si supera la massima tensione inversa. I principali valori che caratterizzano un diodo SCR sono: 1- Peak forward and reverse breakdown voltages (tensione di picco di breakdown diretta e inversa) 2- Maximum forward current (massima corrente diretta) 3- Gate trigger voltage and current (tensione e corrente di gate) 4- Minimum holding current, Ih (valore minimo della corrente di mantenimento) 5- Power dissipation (potenza dissipabile) 6- Maximum dv/dt (massima velocità di variazione della tensione in funzione del tempo) (quest'ultimo valore si riferisce ad un limite caratteristico degli SCR: se la tensione applicata sale troppo rapidamente, il diodo SCR può andare in conduzione da solo; diventa quindi importante conoscere il massimo valore di dv/dt consentito affinchè non avvenga l'innesco spontaneo). In in è circuito. Thyristors: IL TRIAC E IL DIAC figura 5 è rappresentato un SCR di potenza, prodotto dalla IR (International Rectifier): si tratta del diodo 10TTS08; è fornito contenitore TO-220, e può lavorare con correnti fino a 6,5 A e tensioni fino ad 800 V. Le lettere indicano i tre elettrodi: K(catodo), A(anodo) e G(gate). Come si vede, l'aspetto non differisce da quello di un qualsiasi transistor di potenza. Un semplice circuito per provare il funzionamento di un SCR riportato in figura 6. Collegato il circuito all'alimentazione, non passa alcuna corrente; basta tuttavia premere anche per un attimo il pulsante P perchè il diodo SCR passi in conduzione, facendo accendere il Led. Una volta che il led è acceso, l'unico modo per interrompere il passaggio di corrente è quello di staccare l'alimentazione al Il Triac è uno dei componenti di maggior interesse della famiglia dei thyristors; potendo controllare il passaggio della corrente in entrambi i sensi, esso rappresenta una delle soluzioni più efficienti ed economiche per il controllo della potenza assorbita dagli utilizzatori funzionanti con tensioni alternate. IL TRIAC 14

15 Il triac può essere considerato come due diodi SCR collegati in antiparallelo, ovvero affiancati, ma con direzioni opposte (schema a) della figura 1). Gli anodi dei due SCR diventano i terminali principali del triac, ed assumono il nome di MT2 e MT1 (Main Terminal 1 e Main Terminal 2). I gate dei due SCR vengono collegati insieme, e diventano il gate del triac In b) si vede la costruzione a blocchi di un triac, mentre in c) è riportato il suo simbolo schematico. figura 1 Come si è detto, il TRIAC può essere attraversato dalla corrente in entrambi i sensi; occorre notare, inoltre, che il suo passagio allo stato "on", e cioè di conduzione, può avvenire applicando al gate una tensione sia positiva che negativa. Queste molteplici possibilità di funzionamento possono meglio essere illustrate facendo riferimento ad un grafico come quello di figura 2, detto "a quattro quadranti". Ciascun quadrante rappresenta una diversa condizione di funzionamento del triac; le polarità e quindi le tensioni sono sempre riferite al terminale MT1. figura 2 1 quadrante: Il terminale MT2 è postivo rispetto al terminale MT1; la corrente che attraversa il triac scorre infatti dall'alto verso il basso. Il gate, a sua volta, è positivo rispetto ad MT1, ed infatti la corrente di gate risulta "entrante" 2 quadrante: MT2 è sempre positivo rispetto ad MT1, mentre il gate è negativo; la corrente di gate è una corrente che "esce" 3 quadrante: MT2 è negativo rispetto ad MT1, ed infatti la corrente attraversa il triac dal basso verso l'alto; la tensione applicata al gate è negativa rispetto ad MT1 4 quadrante: MT2 è negativo rispetto ad MT1, mentre al gate viene applicata una tensione positiva. La scelta di far lavorare il Triac in un quadrante piuttosto che un altro, ovvero di scegliere una tensione di gating positiva o negativa, modifica in modo più o meno importante le prestazioni del dispositivo. In seguito alla disposizione fisica degli strati di semiconduttore che compongono il triac, i valori della "latching current" (I L ), della "holding current" (I H ) e della "gate trigger current" (I GT ), variano da un quadrante all'altro. Il funzionamento più utilizzato è quello corrispondente ai quadranti 1 e 3, ovvero quando la tensione applicata al gate ha la stessa polarità di quella applicata al terminale MT2; in tali quadranti si ottiene un'ottima sensibilità di gate. Quando non sia possibile lavorare in detti quadranti, la migliore alternativa è quella di utilizzare la coppia di quadranti 2 e 3. 15

16 E' difficile per un triac lavorare nel 2 quadrante quando la corrente dei terminali principali è molto bassa. Il 4 quadrante presenta, fra tutti, la più bassa sensibilità di gate. Per comodità e chiarezza, segue una tabella che riepiloga le principali grandezze caratteristiche dei thyristors, col nome inglese ed il corrispondente significato in italiano: I GT V G T I L I H BREAKOVER POINT OFF-State ON-State Critical Rate-of-Rise of Commutation Voltage of a Triac (Commutating dv/dt) Critical Rate-of-Rise of On- State Current (di/dt) GATE TRIGGER CURRENT GATE TRIGGER VOLTAGE LATCHING CURRENT HOLDING CURRENT punto della caratteristica tensione-corrente in cui la resistenza differenziale assume valore zero condizione del tiristor caratterizzata da alta resistenza differenziale e passaggio di corrente quasi nullo condizione del tiristor caratterizzata da bassa resistenza differenziale e passaggio della corrente principale fra i "main terminals" il minimo valore della velocità di salita della tensione principale, che provoca la commutazione del tiristore dallo stato OFF allo stato ON la massima velocità di crescita della corrente principale che il tiristor può sopportare senza deteriorarsi la minima corrente richiesta dal gate per far commutare il tiristor dallo stato OFF allo stato ON la tensione da applicare sul gate per ottenere la commutazione il valore minimo di corrente tra anodo e catodo richiesto per mantenere il tiristor in stato di conduzione, immediatamente dopo la commutazione da OFF a ON e la rimozione della tensione di gate il valore minimo di corrente tra anodo e catodo richiesto per mantenere il tiristor nello stato di conduzione La tabella che segue fornisce un esempio dei valori che assumono le correnti caratteristiche nei vari quadranti, per un triac da 4 A. TIPICO TRIAC DA 4 A 1 quadrante 2 quadrante 3 quadrante 4 quadrante I GT (ma) I L (ma) I H (ma) Come si vede, la corrente di gate risulta di soli 10 ma quando il triac viene fatto lavorare nelle condizioni corrispondenti al 1 16

17 quadrante, confermando con tale valore la migliore sensibilità; la stessa corrente passa a 27 ma per il 4 quadrante, quello che presenta la minore sensibilità. Il valore elevato (48 ma) della "latching current" nel 2 quadrante, coincide con una certa difficoltà di innesco del triac. 17