Appunti del corso di Elettronica applicata e misure.

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1 Appunti del corso di Elettronica applicata e misure. Prefazione Prefazione degli studenti Questo documento vuole rappresentare un insieme di appunti di supporto del corso di Elettronica applicata e misure. Il seguente documento è un insieme di appunti del corso di Elettronica applicata e misure. Si vuol ricordare che tali appunti possono essere affetti da errori e imprecisioni e per questo motivo si richiede di comunicare ai sottoscritti, alle oncle.picsou@icloud.com e cristianocavo@icloud.com, con eventuali correzioni e/o suggerimenti nella stesura, indicando chiaramente il documento a cui si riferisce. In quanto si tratta di un documento di appunti di libera pubblicazione gli autori non si assumono alcuna responsabilità del contenuto. Il testo è stato redatto attraverso l applicativo Pages for Mac; alcuni grafici sono realizzati attraverso il software di calcolo numerico Grapher, alcuni sono stati disegnati a mano tramite il software di disegno a mano libera Penultimate altri ancora sono stati presi direttamente dalle slide disponibili sul portale; per la rappresentazione di alcuni circuiti è stato usato icircuit. Come usare gli appunti. Tali appunti sono stati concepiti in modo tale da essere utilizzati con il supporto delle slide del professore, infatti viene seguita la stessa suddivisione delle lezioni. Il titolo in rosso all inizio di ciascuna lezione rappresenta il titolo della lezione stessa, mentre i vari sottotitoli in rosso nel documento sono associati al numero della pagina della slide di riferimento. Gli appunti sono divisi in base a ciascuna lezione: Misure A. Parte I 1. Oscilloscopio digitale (scritti a mano) 2. Generalità misure (scritti a mano) 3. Stima Incertezze F. Parte II 1. Voltmetri digitali 2. Voltmetri AC G. Parte II 1. Sensori di temperatura (prima parte) 3. Misure tempo e frequenza 4. Generatori di segnale A. A / 2014

2 Elettronica applicata B. GRUPPO B - Circuiti digitali 1. Richiami su circuiti logici (scritti a mano) 2. Parametri dinamici dei Flip Flop (scritti a mano) 3. Circuiti sequenziali (scritti a mano) 4. Logiche programmabili (scritti a mano) 6. Comparatori di soglia (scritti a mano) 7. Generatore onda quadra 8. Esercitazione 2 C. Bus e interconnessioni 1. Interconnessioni 2. Modelli a linea di trasmissione 3. Connessioni con linee 4. Cicli di trasferimento base 5. Protocolli di bus 6. Esercitazione 3: Collegamenti seriali 7. Collegamenti seriali asincroni 8. Collegamenti seriali sincroni 9. Integrità di segnale D. Sistemi di acquisizione dati 1. Integrità di segnale 2. Convertitori D/A 3. Conversione A/D 4. Convertitori pipeline e differenziali 5. Condizionamento del segnale 6. Filtri 7. Esercitazione 4: Sistemi di conversione E. Alimentatori e regolatori 1. Circuiti di potenza 2. Sistemi di alimentazione 3. Regolatori a commutazione 4. Altri sistemi di alimentazione (non è stato trattato nell A.A. 2013/2014) 5. Esercitazione 5: regolatori lineari e SW. Prefazione A. A / 2014 II

3 Gruppo lezioni E5 Gruppo esercizi 5 - Regolatori lin e SW Esercitazione parte E In questo gruppo di esercizi vedremo: 1. interruttori BJT; 2. alimentatori; 3. regolatori lineari; 4. regolatori a commutazione. Elenco esercizi E5.1 - Interruttore di potenza. E5.2 - Circuito raddrizzatore e filtro. E5.3 - Regolatore con diodo Zener. E5.4 - Regolatore con Zener e transistore. E5.5 - Regolatore a commutazione. Esercizio E5.1 - Gli interruttori di potenza Un BJT è usato come interruttore ON/OFF per un carico di 100 ohm, alimentato a 12V. Parametri del transistore sono: - hfe = 50; - Vcesat = 0,2 V. 1. Tracciare il circuito di interfaccia per pilotarlo tramite una porta CMOS con tensione di alimentazione pari a 5 volt (Val = 5V). Si parte con questo circuito in cui si ha un transistore CMOS e un transistore BJT.Inseguito si aggiunge una resistenza come si vede in figura (sotto) che potrebbe servire ma molto probabilmente in questo caso non servirà. Per garantire lo stato off sul transistor BJT si deve avere una tensione Vbe<Vbeon =0,4 tipicamente. Quindi sul partitore si deve avere tale tensione per lo stato di on. 1 di 10

4 Si ha un transistore cmos il quale viene pilotato da un driver, il transistore (cmos) in questo caso deve dare una tensione di uscita la più bassa possibile quindi la parte di sopra sarà un circuito aperto mentre la parte di sotto (a parte che è collegata a massa) sarà chiusa in modo tale che la tensione sul bjt sia la più piccola possibile. Poiché si può modellare il cmos come una resistenza (vedi resistenza in blu) e in tale resistenza c'è caduta di potenziale solamente quando circola corrente ma in questo caso questa resistenza è collegata in serie a una resistenza la quale a sua volta è collegata sia al bjt e ad un'altra resistenza collegata a sua volta a massa. Quindi visto che dal bjt non arriva corrente e dalla massa della resistenza collegata massa non arriva corrente si può dire che la la corrente entrante nella resistenza in blu sia pari a zero. Quindi qual è quella tensione o meglio dire come si fa ad avere sul morsetto del bjt (morsetto che comanda) una tensione la più piccola possibile avendo queste condizioni in altre parole qual è il valore delle sue resistenze (quelle cerchiate un certo blu)? Si può rispondere alle domande dicendo che prima di tutto la resistenza collegata massa può essere eliminata tranquillamente. Se invece si avesse una tensione allora bisognerebbe lasciare tale resistenza in modo tale che la partizione possa rispettare i vincoli. Sono i calcoli per calcolare Ic dove Vsat=V di saturazione lo da il testo. RL=resistenza di carico che sta tra 12V e il bjt e c'è l'ha da il testo = 100ohm. IB>Ic*B è la regola del BJT che lega le varie porte. Più il transistore è in saturazione e meno dissipa. Voh e la tensione di uscita del cmos che bisogna andare ad indagare su un datasheet O questo caso chiedere al Prof. Mentre I<Ioh=4mA anche in questo caso si deve andare a veder sul datasheet quando vale questo parametro. La I è la Ib del transistore bjt che deve essere maggiore 2,36mA per mandarlo in saturazione e minore di 4mA perché se no non funzionerebbe più. 2 di 10

5 (Voh-Vbesat)/R=Ib Quindi si ottime: E da li si ricava R come usuale. di 3 10

6 E si ottiene: transistore. Risoluzione: 1. Il circuito. 2. La potenza dissipata. Ora si prende un valore tra i due quello che meglio si predilige per la mia applicazione. 2. Determinare la potenza dissipata nel potenza dissipata del transistore: potenza dissipata dal colletore + la potenza dissipata dalla base. potenza dissipata colletore=23,6w potenza dissipata dalla base=3,2w Potenza non è tanto trascurabile. 4 di 10

7 Esercizio E5.2 - Il circuito raddrizzatore e filtro Il circuito a lato è un raddrizzatore a una semionda con filtro - Vs=18Veff, 60Hz; - C=470μF. Vs=tensione sinusoidale con tensione efficace di 18V 1. Determinare la tensione di ripple Vur in uscita per una corrente Iu = 90 ma, e calcolare in queste condizioni la componente continua della Vu (Vudc). Se non ci fosse il condensatore si avrebbe questo andamento a valle del diodo il valore di picco sarebbe, Perché il testo dava la tensione del valore efficace per un onda sinusoidale. quindi dopo il diodo si ha una caduta (approssimativa di ) [la curva in rosso] il condensatore (linea verde) si carica dal valore massimo (curva in rosso). La formula per deltav in cui si ha nella formula o T il tempo o f che è la frequenza uno dei due non tutte e due per questo motivo la sbarrato il T. I calcoli per deltav e la formula usata è quella vista nelle slide in precedenza. 5 di 10

8 2. Calcolare la variazioni di tensione in uscita (ΔVudc) e il ripple max (Vurmax) per Iu che varia da 0 a 100 ma. usando sempre le formule viste in precedenza si ha: Variazione di tensione in uscita. L'ondulazione massima è con la corrente massima che è 100mA. C'è in basso la formula che si è visto già in precedente. 3. Modificare il circuito inserendo un raddrizzatore a doppia semionda, e calcolare i nuovi Vudc e Vur. Qui usa un ponte di Graps visto prima. Le formule cambiano quella al lato rispetto a quello visto prima e la formula indicata qui sotto: 6 di 10

9 Risoluzione: 1.Tensione di ripple e componente continua. I Nel circuito sotto è stato messa al posto del diodo una resistenza e un generatore di tensione. In seguito di che che la Vu ora si chiama Va e si usa la stessa formula di prima (figura sotto): Rz è molto piccola quindi si può anche toglierla. e quindi si ha la stessa tensione sia prima che dopo la resistenza Rz. Si fa una sostituzione. 7 di 10

10 Deve essere: Ora che si è scelto il valore di R ci si può calcolare Ia formula cerchiata e indicata dalla freccia UP in rosso (figura in basso) e quindi posso Vadc mettendo dentro Ia formula indicata dalla freccia DOWN in modo tale che lo zener funzioni bene. 2. Variazioni della tensione di uscita e ripple max. 3. Modifica del circuito e nuovi parametri Vudc e Vur. 8 di 10

11 Esercizio E5.3 - Regolatore con Zener Al gruppo raddrizzatore-filtro precedente viene aggiunto uno Zener in cui: - Vs = 18 Veff; - C = 470 μf; - R = 120 ohm; - Vzo = 9V; - rz = 10 Ω - Izmin = 7 ma. 1. Per Va = Vadc + Var, calcolare: - la componente continua Vudc; - l ondulazione Vur per un carico L che assorbe Iu = 100mA. 2. Determinare la potenza Pz dissipata dallo Zener per Va = Vadc, Iu = 100mA. In quali condizioni operative Pz è max? Risoluzione: 1. Componente continua e ondulazione. 3. Determinare il valore massimo di R per mantenere la funzionalità del regolatore fino a correnti 2. Potenza dissipata e condizioni operative. 3. Valore massimo della resistenza. 9 di 10

12 Esercizio E5.4 - Regolatore Dz con transistore Aggiungere al circuito precedente un BJT (in configurazione npn) in modo da migliorare la regolazione al variare della corrente nel carico. Per il nuovo circuito: 1. Determinare la potenza dissipata dallo Zener e dal transistore per Va = Vadc, con Iu = 0 (a vuoto). 2. Indicare come si modificano (rispetto al circuito con solo Zener) la regolazione per variazioni della tensione di ingresso e per variazioni della corrente nel carico (risposta qualitativa). 3. Calcolare la massima potenza dissipata nello Zener e dal transistore, per correnti di uscita da 0 a 100 ma. Risoluzione tensione: 1. Potenza dissipata. 2. La regolazione delle tensioni di ingresso. Esercizio E5.5 - Regolatore a commutazione 3. Massima potenza dissipata dallo Zener e dal transistore. Tracciare lo schema di un regolatore a commutazione con tensione di uscita minore della tensione di ingresso (VO < VI): 1. Valutare i limiti di duty cycle del segnale di comando richiesto per ottenere una uscita di 5V con tensioni di ingresso da 8 a 15V. 2. Valutare il rendimento tenendo conto di Vcesat e di Ron. 10 di 10