Una scuola vuole monitorare la potenza elettrica continua di un pannello fotovoltaico

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1 ESAME DI STATO PER ISTITUTI PROFESSIONALI Corso di Ordinamento Indirizzo: Tecnico delle industrie elettroniche Tema di: Elettronica, telecomunicazioni ed applicazioni Gaetano D Antona Il tema proposto è di carattere pratico. Parte dal monitoraggio della potenza elettrica prodotta durante da un pannello fotovoltaico installato in una scuola con la richiesta di una serie di descrizioni e indicazioni metodologiche. Una scuola vuole monitorare la potenza elettrica continua di un pannello fotovoltaico per la generazione d'energia elettrica di cui è dotata. Il pannello fotovoltaico può produrre una corrente massima di 3,3 Ampere e una tensione massima di 16,5 olt. Questi valori massimi si riducono notevolmente a seconda della quantità di luce solare che raggiunge gli elementi. Per monitorare la potenza elettrica prodotta durante la giornata e nelle varie condizioni climatiche, si misurano la tensione prodotta e la corrente prodotta. Questi dati devono essere rilevati ogni 5 minuti e conservati in una memoria di tipo flash. Una volta al giorno devono essere inviati ad un personal computer per produrre una statistica. Per misurare la corrente si utilizza un sensore ad effetto Hall che ha un'uscita lineare in corrente, secondo la seguente proporzione: Se la corrente misurata è nulla (0 Ampere), in uscita la corrente vale 0 ma. Se la corrente misurata è 15 Ampere, in uscita la corrente è pari a 15 ma. Le due grandezze da misurare devono essere convertite in tensioni comprese tra 0 e 2,5 olt per essere adattate all'ingresso del convertitore analogicodigitale impiegato. Il candidato, fatte le ipotesi aggiuntive ritenute opportune: 1 descriva lo schema a blocchi del sistema d'acquisizione dati per le grandezze elencate; 2 progetti il condizionamento dei segnali in uscita dai sensori; 3 indichi il tipo di convertitore analogicodigitale idoneo per questo impiego; 4 descriva il sistema di memorizzazione dei valori acquisiti; 5 illustri le metodologie di collaudo dei circuiti. SOLUZIONE La corrente e la tensione generate dal pannello fotovoltaico devono essere misurate e registrate in una memoria flash ogni cinque minuti. Ogni 24 ore i dati registrati devono essere inviati ad un Personal computer per essere elaborati a fini statistici. Per misurare l'intensità di corrente erogata dal pannello solare si utilizza un sensore ad effetto Hall che ha un comportamento lineare quando la corrente da misurare varia da zero Amper a 15 Amper. A zero Amper in ingresso da in uscita zero Amper, a 15 Amper in ingresso da in uscita 15 ma. 4 btscuola Il tema chiede di realizzare un circuito (convertitore corrente/tensione, I/) che converta il segnale corrente d'uscita del sensore Hall in una tensione: al valore zero Amper erogato dal pannello il circuito di condizionamento deve dare in uscita zero olt; al valore 3,3 Amper erogato dal pannello il circuito di condizionamento deve dare in uscita 2,5 olt.

2 Il tema chiede anche che si realizzi un circuito (convertitore tensione /tensione, /) in grado di fornire zero olt quando il pannello fornisce zero olt e 2,5 olt quando il pannello fornisce 16,5 olt. Le tensioni fornite dai due circuiti di condizionamento I/ e / sono analogiche. Poiché i dati corrente e tensione del pannello solare devono essere registrati in una memoria flash, i segnali corrispondenti forniti dai due circuiti di condizionamento devono essere convertiti in forma digitale. Inoltre è previsto che la conversione dei due segnali deve essere realizzata da un solo convertitore analogico/digitale, A/D, pertanto si deve realizzare un sistema di controllo per presentare al convertitore A/D, ogni cinque minuti, alternativamente i due segnali. Il circuito di controllo, guidato da un opportuno programma informatico residente nella sua ROM, provvederà quindi a trasferire i dati nelle varie righe della memoria flash. Il circuito di controllo, ogni 24 ore, all'ora stabilità, provvederà al trasferimento al P.C. dei dati registrati nella memoria flash nelle ultime 24 ore. SOLARE I SENSORE HALL I/ / AMUX A/D 8 BIT MICRO CONTROLLORE MEMORIA FLASH RS232 IDEO PERSONAL COMPUTER RS232 TASTIERA Figura 1 Condizionamento del segnale d'uscita del sensore ad effetto di HALL Poiché il comportamento del sensore è lineare con corrente d'ingresso che varia da zero Amper, a quindici Amper e che in uscita in corrispondenza abbiamo una corrente che varia da 0 A, a 15mA, quando in ingresso è presente la corrente di 3,3 A in uscita avremo 3,3 ma. btscuola 5

3 ESAME DI STATO PER ISTITUTI PROFESSIONALI Si deve realizzare un circuito che dia in uscita 2,5 quando in ingresso è presente una corrente, I I, di 3,3 ma, cioè, un convertitore I/. Il convertitore I/ si realizza utilizzando un Amplificatore Operazionale, Op Amp, utilizzando l'ingresso non invertente a guadagno unitario 3,3 A SENSORE 3,3 ma HALL I + O R 1 Figura 2 Sappiamo che la tensione d'uscita è uguale alla tensione presente all'ingresso non invertente, i Data l'alta impedenza d'ingresso dell'op. Amp, non c'è assorbimento di corrente nell'ingresso invertente, perciò tutta la corrente d'uscita dal sensore di Hall circola in R1, quindi avremo: O = i ; i = 3, R1 = 2,5 ; R1 757 Ω; Condizionamento della tensione generata dal Pannello solare Il pannello da in uscita una tensione che varia da zero olt a 16,5 olt, in corrispondenza il circuito di condizionamento deve fornire una tensione continua che vari da zero olt a 2,5. dobbiamo realizzare un convertitore tensione/tensione, /. La funzione di trasferimento, A, del convertitore deve valere 0,15, infatti, A = 0 = 2,5 1 16,5 = 0,15 Il circuito che realizza la funzione di trasferimento A, potrebbe essere realizzato mettendo in cascata due amplificatori di amplificazione rispettivamente A1 ed A2, tali che si abbia: A = A 1 A 2 = 0,15 6 btscuola Ciò si potrebbe realizzare ponendo A 1 = 0,5 e A 2 = 0,3

4 Utilizziamo due amplificatori invertenti realizzati con amplificatori operazionali secondo lo schema sotto riportato R 2 R 4 SOLARE I R R O1 O Figura 3 dato che A 1 = 01 / I = R 2 /R 1 = 0,5 Ponendo R 1 = 100 kω, R 2 sarà 50 kω Poiché A 2 = 01 / I = R 4 /R 3 = 0,3 Ponendo R 3 = 100 kω, R 4 sarà 30 kω Scelta del convertitore analogico/digitale, A/D La rilevazione dei valori della corrente e della tensione del Pannello solare, per registrarli nella memoria flash, deve essere fatta ogni cinque minuti, ma in momenti successivi. Stabiliamo se sono necessari oppure no i circuiti di Simple/Hold per memorizzare i segnali che devono essere presentati all'adc. Intanto le grandezze tensione e corrente generati dal pannello sono lentamente variabili perciò possiamo considerarli costanti e quindi possiamo determinare via software il tempo di presentazione all'adc superiore al tempo di commutazione, T C, tipico dell'adc scelto. Si può fissare per entrambi i segnali da convertire il tempo disponibile per la conversione pari 10 T C, così non sono necessari i circuiti di Simple/Hold. olendo utilizzare l'adc 0801, ad approssimazioni successive, ad 8 bit che ha un tempo di conversione T C = 100 µs Stabiliremo che ogni cinque minuti il microcontrollore disponga che all'ingresso dell'adc si presentino successivamente la tensione e la corrente da convertire, per il tempo che chiameremo tempo d'elaborazione, T E = 10 T C = 500 µs btscuola 7

5 ESAME DI STATO PER ISTITUTI PROFESSIONALI I Figura 4 AMUX /I A/D SOC 8 BIT Fine conversione EOC Abilità l ADC MICRO CONTROLLORE MEMORIA FLASH Il Microcontrollore, quindi emetterà ogni cinque minuti due segnali: Uno, di durata T E, verso il multiplexer per stabilire quale segnale presentare all'adc, e l'altro per abilitare l'adc. Quando il Microcontrollore riceverà dall'adc il segnale di fine conversione, provvederà a trasferire nelle righe della memoria Flash destinate a ricevere i dati del segnale (tensione o corrente) che è stato reso disponibile dall'adc. Sistema d'acquisizione dei valori acquisiti. Nello schema a blocchi del sistema abbiamo previsto che la memoria flash che deve memorizzare i dati sia interna al Microcontrollore. Esso che esegue un appropriato software registrato nella ROM, provvede ad eseguire tutti i processi previsti: a) acquisizione dei dati provenienti dall'adc ogni cinque minuti; b) invio al P.C. per la porta seriale, mediane, collegamento RS232; c) azzeramento dei dati presenti nella memoria flash per prepararla a registrare i dati delle successive 24 ore. Calcolo della capacità della memoria flash per ricevere i dati delle 24 ore: Abbiamo detto che l'adc converte i segnali tensione e corrente in formato digitale ad 8 bit (byte). Calcoliamo il numero di rilevazioni in 24: a) 24x60 =1440 minuti in 24 ore b) 1440/5 = 288 numero di rilevazioni di una singola grandezza in 24 ore, perciò Occorre memorizzare 288 byte; c) la capacità totale deve essere almeno di 2x288=576 byte. Si poteva pensare ad una sistemazione della memoria all'esterno del Microcontrollore, utilizzando, in questo caso, il trasferimento fisico della memoria dal microcontrollore al P.C., come se fossimo in presenza di un vecchio floppy disc. Supponendo di voler utilizzare una Drive Pen, il microcontrollore deve avere installato una port USB e relativo software per il trasferimento dei dati. Metodologie di collaudo dei circuiti Collaudo del convertitore I/: si faccia circolare 3, 3 A nell'ingresso del sensore di Hall e mediante il trimmer in serie ad R1, si varierà l'uscita fino ad ottenere 2,5. Collaudo del convertitore /: in ingresso pongo 1, e poiché conosco l'amplificazione dei due stadi, aggiusto mediante trimmer sulla resistenza serie il valore che si deve avere in ciascuna uscita dei due convertitori. 8 btscuola Collaudo dell'adc: mediante un opportuno software di collaudo che carico nella ROM del Microcontrollore, con l'ausilio di un analizzatore di stati logici si rileveranno le byte corrispondenti a determinati valori di correnti e di tensioni presenti all'ingresso dei convertitori I/ e /.

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