E = I U Attuatore. η = P U / P T

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1 pagina 1 di 9 Sistema retroazionato Ingresso desiderato mplifiatore potenza amo di potenza Usita nodo E = I U ttuatore Sistema mplifiatore segnale Trasduttore amo di retroazione In un ontrollo automatio di un qualunque sistema si deve poter impostare un valore desiderato (di solito on una grandezza elettria) e quindi attivare qualosa he onfronti il valore dell usita on il valore impostato. Il ramo di retroazione ha il ompito di trasformare il valore dell usita in un segnale elettrio da onfrontare on il valore desiderato. Il trasduttore trasforma il valore di una grandezza fisia in un segnale elettrio (di solito dell ordine dei mv o m) he deve poi essere opportunamente amplifiato dall amplifiatore di segnale. Il parametro più importante nella progettazione del ramo di retroazione è la preisione. Esempi di trasduttori sono i mirofoni, i fototransistor, le termoresistenze, gli interruttori, e. Il nodo onfronta il valore dell usita on quello dell ingresso desiderato. Se si fa una differenza siamo in presenza di un sistema on retroazione negativa. L errore (E) può avere tre valori: 1. Se l errore è nullo l usita ha il valore desiderato. Il ramo di potenza in questo aso deve restare inattivo in quanto l usita ha il valore desiderato. 2. Se l errore è positivo l usita ha un valore inferiore a quello desiderato. Il ramo di potenza in questo aso deve intervenire per fare aumentare il valore dell usita. 3. Se l errore è negativo l usita ha un valore superiore a quello desiderato. Il ramo di potenza in questo aso deve intervenire per fare diminuire il valore dell usita. Nel ramo di potenza il segnale di errore è opportunamente amplifiato dall amplifiatore di potenza in modo he l attuatore possa trasformare l energia elettria nella grandezza fisia utile a modifiare il valore dell usita. Esempi di attuatori sono: lampade, led, motori elettrii, altoparlanti, resistenze, pompe di alore, e. Nel ramo di potenza il parametro più importante è il rendimento η = P U / P T rappresentato dalla lettere dell alfabeto greo eta e definito ome il rapporto fra la potenza utilizzata e quella totale fornita. Tutta la potenza non utilizzata viene trasformata in alore on i seguenti inonvenienti: 1. Spreo energetio on un onsumo di energia omunque pagata ma non utilizzata, 2. iminuzione dell affidabilità del sistema. Il alore generato dall energia non utilizzata provoa un inutile aumento di temperatura he può omportare guasti nei omponenti a semionduttore. Infatti l aumento di temperatura può rimettere in movimento gli atomi droganti all interno del siliio modifiando le aratteristihe elettrihe dei dispositivi. La preisione in questo aso non è fondamentale in quanto le differenze nel valore dell usita possono essere rilevate tramite la retroazione e ompensate.

2 pagina 2 di 9 Logia ablata e programmata In un sistema ablato tutte le funzioni sono realizzate on iruiti elettronii appositamente realizzati. Si tratta di sistemi molto veloi, poo flessibili (ogni variazione rihiede modifihe iruitali), on pohi omponenti e adatti per grandi numeri. In un sistema programmato la logia è gestita on un programma he gira in un omputer opportunamente interfaiato on il sistema. Questi sistemi sono meno veloi dei preedenti, molto flessibili (spesso le variazioni si riduono a modifihe del programma), on molti omponenti e adatti a sistemi anhe molto omplessi e/o a livello di prototipo. In questi sistemi il omputer va a sostituire il nodo. Interfaiamento Per poter ontrollare un sistema on un omputer si dovranno realizzare le interfae per leggere i valori del sistema tramite opportuni trasduttori (analogii e on/off) e fornire i segnali di omando agli attuatori presenti (analogii e on/off). Il ramo di retrazione è rappresentato dai anali di input analogio e on/off, il ramo di potenza dai anali di output analogio e on/off. S I S T E M Trasduttore mplifiatore segnale mplifiatore segnale Input analogio Sample & Hold Input on/off Input U S Trasduttore Input mplifiatore potenza ttuatore OPT Output mplifiatore potenza Output on/off ttuatore Output Output analogio Input analogio Il trasduttore trasforma la grandezza fisia in un segnale elettrio di aluni mv non adatto ad una onversione aurata

3 pagina 3 di 9 il segnale proveniente dal trasduttore è amplifiato dall amplifiatore di segnale ad un valore di aluni Volt per ottenere una onversione aurata il Sample & Hold ha la funzione di mantenere ostante il segnale per la durata della onversione l (nalog to igital onverter) onverte il segnale in un numero binario he attraverso la porta di input sarà poi memorizzato nel P. L operazione può essere ripetuta migliaia di volte al seondo su tutti i anali da ontrollare. mplifiatore di segnale Il segnale he proviene da un trasduttore è di pohi mv e non è possibile trasformarlo direttamente in valori binari. L amplifiatore di segnale ha il ompito di portare il segnale ad un valore di 1-10 volt per ottenere una onversione più aurata. Sample & Hold Il segnale analogio è rappresentato da un grafio on tempo sull asse delle asisse (X) e il valore della tensione sulle ordinate (Y). Ogni valore (misura) si hiama ampione e l intervallo di tempo neessario per ottenerlo tempo di onversione. Se in questo intervallo di tempo il segnale ambia non si è più in grado di sapere a quale istante di tempo il valore ottenuto si riferise. Il S&H risolve questo problema mantenendo ostante il valore del segnale per tutto il tempo di onversione. Sample Vi = V = Vout Hold V = Vout In Out In Out V V In t V out (nalog to igital onverter) L ha in ingresso un segnale analogio e in usita il orrispondente valore binario. Va selto in base alla veloità di onversione e alla preisione. Per il teorema del ampionamento la frequenza deve essere maggiore del doppio di quella del segnale. Il tempo di onversione deve essere inferiore all inverso della frequenza di ampionamento. T = 1 / f La preisione aumenta on il numero di bit in usita, 8 sono suffiienti per la voe, 16 sono usati nei stereo. In generale il numero di ombinazioni disponibili è 2 N e se vogliamo he l errore sul fondo sala sia ompatibile on la preisione rihiesta il quanto dell (1/2 N ) dovrà essere inferiore all errore quindi 2 N > 1 / Errore.

4 pagina 4 di 9 Il seguente iruito può essere utilizzato per interfaiare termoresistenze (resistenze he ambiano valore on la temperatura) o fotoresistenze (resistenze he ambiano valore se illuminate). V T + - Vout d una temperatura di riferimento le tensioni al entro dei partitori nei punti e sono uguali e all usita dell amplifiatore differenziale la tensione è nulla. l variare della temperatura ambia il valore della termoresistenza T e quindi il potenziale nel punto, in questo aso Vout sarà proporzionale alla variazione di temperatura. L amplifiatore differenziale è shematizzato in forma semplifiata. Input on/off Il trasduttore trasforma la grandezza fisia in un segnale il segnale proveniente dal trasduttore, già di tipo on/off, è amplifiato dall amplifiatore di segnale ad un valore ompatibile on la tensione di ingresso della porta Il iruito è più semplie in quanto non è neessaria la onversione da analogio a binario. E il iruito usato per gli interruttori. V input V input P In questo esempio all ingresso della porta abbiamo uno on l interruttore aperto e zero on l interruttore hiuso. Premessa: in un interruttore aperto onosiamo la orrente, zero in un interruttore hiuso onosiamo la tensione zero se due elementi sono in serie sono attraversati dalla stessa orrente

5 pagina 5 di 9 on l interruttore aperto: 1. Se trasuriamo la orrente sulla porta (pohi miroampere) l interruttore e la resistenza sono in serie 2. I P = I = 0 3. Per la legge di Ohm V = I = 0 4. Per definizione V = V - V = V - V = 0 5. V = V on l interruttore hiuso il punto è ortoiruitato a massa V = 0 La stessa iruitazione può essere utilizzata per interfaiare un fototransistor. Se illuminato equivale a un iruito hiuso (0 in ingresso), se al buio equivale a un iruito aperto (1 in ingresso). Output on/off Il bit in usita dalla porta attiva il led dell aoppiatore optoelettronio Il fototransistor si attiva e pilota l amplifiatore di potenza L attuatore trasforma l energia elettria in una grandezza fisia Spesso si ha la neessità di ontrollare attuatori he lavorano on tensioni elevate he omportano rishi di folgorazione. Per mantenere separato il iruito del omputer dal iruito ad alta tensione si usa un aoppiatore optoelettronio. Il segnale elettrio proveniente dalla porta attiva un led he illumina la base di un fototransitor he attiva l amplifiatore di potenza. ollettore ase Emitter La lue emessa dal led rea delle arihe libere nella base del fototransistor permettendo la onduzione. l buio non sono presenti arihe libere e il transistor è in interdizione. Nei normali transistor a tre pin le arihe libere sono generate dalla orrente di base. Output analogio alla porta di output il numero arriva al (igital to nalog onverter) he lo trasforma in un segnale analogio. Il segnale è amplifiato tramite un amplifiatore di potenza. Un attuatore trasforma il segnale elettrio in grandezza fisia L output analogia è normalmente usato on basse tensioni per ui non è neessario riorrere a dispositivi per l isolamento. (igital to nalog onverter) Il fa l operazione ontraria dell. In ingresso rieve i valori binari, il segnale analogio in usita assume il valore orrispondente. mplifiatore di potenza

6 pagina 6 di 9 Il segnale in usita dal ha una potenza ridotta per pilotare una assa austia quindi l amplifiatore di potenza fornise questa potenza supplementare. Struttura del software di ontrollo PU ddress us Memoria ata us In un sistema programmabile le omuniazioni on l esterno avvengono tramite le porte di input/output mentre la ram è usata per le elaborazioni. Tutti i software di ontrollo sono dei ili infiniti he sono attivati all aensione del sistema e ontinuano fino al suo spegnimento. Effettuata l inizializzazione all interno del ilo distinguiamo tre routine: lettura, elaborazione e srittura iassumendo: Esterno Inizializzazione Loop Lettura Elaborazione Srittura End (i valori delle porte sono trasferiti in M) (si esegue l elaborazione in M in base ai valori letti) (i valori rialolati sono sritti sulle porte leggendoli in M) Sheda di ontrollo Per molte appliazioni non sono neessari tutti i omponenti presenti in un normale P. Pensate a una alolatrie o a un termometro digitale. Nella sheda di ontrollo sono presenti i omponenti indispensabili per realizzare un sistema programmabile.

7 pagina 7 di 9 PU Input OM Output M ata us Timer In aluni asi tutti i omponenti sono integrati in un unio hip (single hip). La PU è neessaria, senza non avrebbe senso parlare di sistema programmabile. Nella OM è memorizzato il programma he deve essere disponibile all aensione del sistema. La M è utilizzata per memorizzare le variabili temporanee. Il Timer server per temporizzare le appliazioni. Le Porte di input output servono per interfaiarsi on l esterno. Sistema di sviluppo Una sheda di ontrollo non permette la srittura di un programma (manano anhe tastiera e monitor), per fare questo si usano i sistemi di sviluppo. Sono ostituiti da: 1. Un P ompleto he mette a disposizione l interfaia per la srittura e i supporti per la memorizzazione. 2. Il ross-ssembler he ha in input il file sorgente e in output il odie mahina per la PU della sheda di ontrollo. 3. Un Emulatore he ontiene il debug e il simulatore del sistema da ontrollare per verifiare la orrettezza del programma. 4. Un Eprom Programmer per trasferire il programma in una OM da inserire nella sheda di ontrollo.

8 pagina 8 di 9 ontrollo di un led. Output ll usita della porta si ha un segnale TTL (0-5 volt). Supponiamo he il led funzioni on una orrente di 1 m e una tensione di 1,5 V. Il valore per la resistenza si alola ome segue: = V / I = (5 1,5) / 10-3 = 3,5 KΩ Step motor Lo step motor è adatto per appliazioni in ui è rihiesta una bassa potenza on un elevata preisione ome per la testina della stampante. Un elettromagnete è una bobina he perorsa da orrente genera un ampo magnetio ed è in grado di attirare oggetti ferromagnetii. Nello step motor un rotore di materiale ferromagnetio è irondato da una serie di bobine he attivate in suessione lo fanno ruotare on estrema preisione. In figura è shematizzato un motore on quattro poli (,,,), ne esistono anhe a tre e a due. Quando sono attivate le bobine della serie il rotore si allinea alle bobine. Suessivamente si disattiva e si attiva e il rotore fa una rotazione he gli onsente di allinearsi a. Poi si disattiva e si attiva. Poi si disattiva e si attiva, infine si riprende da. La rotazione può avvenire in senso inverso invertendo l ordine di attivazione delle serie di bobine (,,,,). Le bobine dello step motor assorbono deine o entinaia di m e quindi non si possono ollegare direttamente alle porte del P. Per ognuno dei quattro bit neessari va utilizzato un iruito amplifiatore ome il seguente.

9 pagina 9 di 9 La orrente di ollettore è ira 100 volte maggiore di quella di base (I = β I ). I pohi m della porta di output sono suffiienti ad attivare la bobina dello step motor on un entinaio di m. Il diodo di riirolo è neessario per evitare he nel passaggio in interdizione del transitor si reino delle sovratensioni sul ollettore he potrebbero danneggiare il transistor stesso. V output