37063 - FONDAMENTI DI ELETTRONICA PER L'AUTOMAZIONE T

Scheda insegnamento

  • Docente Alberto Santarelli

  • Moduli Alberto Santarelli (Modulo 1)
    Alberto Santarelli (Modulo 2)
    Fabio Filicori (Modulo 3)

  • Crediti formativi 12

  • SSD ING-INF/01

  • Modalità didattica Convenzionale - Lezioni in presenza (Modulo 1)
    Convenzionale - Lezioni in presenza (Modulo 2)
    Convenzionale - Lezioni in presenza (Modulo 3)

  • Lingua di insegnamento Italiano

SDGs

L'insegnamento contribuisce al perseguimento degli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile dell'Agenda 2030 dell'ONU.

Istruzione di qualità Energia pulita e accessibile Industria, innovazione e infrastrutture Città e comunità sostenibili

Anno Accademico 2019/2020

Conoscenze e abilità da conseguire

Conoscenze di base sui dispositivi elettronici fondamentali e sulla struttura e principi di funzionamento dei circuiti elettronici per elaborazione di segnali analogici. Acquisizione dei metodi di progetto di circuiti elettronici, con particolare riferimento ai circuiti per elaborazione di segnali digitali. Metodi di progettazione di catene di acquisizione (conversione AD/DA). Conoscenze di base sui dispositivi e circuiti elettronici di potenza e sulle loro applicazioni nell'ambito dell'automazione industriale.

Programma/Contenuti

Dispositivi elettronici. Considerazioni elementari di fisica dei dispositivi: conducibilità nei metalli, nei dielettrici e nei semiconduttori; portatori di carica: elettroni e lacune; semiconduttori di tipo p e di tipo n. Diodo a giunzione: principi fisici di funzionamento, caratteristica I/V, modelli analitici e circuitali. Effetti reattivi: capacità di barriera e di diffusione. Fenomeno di breakdown. Diodo Zener. Transistori bipolari a giunzione: principi fisici di funzionamento, modello analitico di Ebers- Moll e circuiti equivalenti. Modelli semplificati per le varie regioni di operazione. Caratteristiche elettriche a base comune ed emettitore comune. Transistori MOSFET a canale n e canale p: principi fisici di funzionamento, modello analitico e caratteristiche elettriche.

Circuiti elettronici analogici. Raddrizzatore monofase a singola ed a doppia semionda, circuiti limitatori e squadratori. Capacità di spianamento. Linearizzazione di bipoli elementari: resistore e condensatore anomalo. Circuito equivalente per piccoli segnali del transistore bipolare e ad effetto di campo. Parametri fisici e ibridi. Circuito equivalente per alte frequenze. Analisi alle variazioni di stadi elementari di amplificazione. Circuiti di polarizzazione. Dipendenza termica delle caratteristiche elettriche dei transistori. Stabilità del punto di riposo. Accoppiamento a condensatore tra stadi in cascata. Amplificatori accoppiati in continua. Deriva termica. Offset. Amplificatore differenziale: guadagno differenziale e di modo comune; fattore di reiezione del modo comune. Cenni alle proprietà degli amplificatori in retroazione: insensibilità alle variazioni del guadagno dell'amplificatore in catena diretta ed estensione della banda passante. Amplificatori operazionali ideali e non. Circuiti elementari basati su amplificatori operazionali.

Circuiti elettronici digitali. Proprietà generali delle famiglie logiche: margini di immunità ai disturbi, fan in, fan out, tempi di commutazione, dissipazione di potenza. Il transistore visto come un interruttore controllato: calcolo della caratteristica di trasferimento statica ingresso-uscita di un invertitore a MOSFET con carico resistivo. Invertitore CMOS. Famiglie logiche CMOS e relative proprietà. Realizzazione di gate NOR e NAND in tecnologia CMOS. Circuiti CMOS statici e dinamici. Concetti di pass-transistor e transfer-gate. Esempi di realizzazione di circuiti logici combinatori e sequenziali in tecnologia CMOS.

Circuiti per l'acquisizione e la conversione dei segnali. Amplificatori e filtri per il condizionamento dei segnali. Amplificatore differenziale per strumentazione. Problematiche relative all'interfacciamento dei circuiti per l'elaborazione dei segnali con i principali tipi di sensori e trasduttori impiegati nei sistemi di controllo industriale: messa in scala delle variabili, rumore, immunità ai disturbi, problemi di isolamento elettrico. Classificazione dei sensori: sensori multipli, differenziali e bilanciati. Cenni sui principi di funzionamento dei sensori di tipo diretto (elettrodinamici,termocoppie, piezoelelettrici). Dispositivi opto-elettronici: diodo fotorivelatore e LED. Isolamento opto-elettronico. Trasmissione di variabili analogiche con isolamento optoelettronico (circuito modulatore PWM). Sensori modulanti (parametrici). Cenni su alcuni sensori parametrici di tipo resistivo, induttivo e capacitivo ed esempi di sensore differenziale. Circuiti per la generazione di segnali impieganti sensori parametrici. Circuiti a ponte intero di impedenze. Proprietà di immunità rispetto a derive di natura termica e dovute a variazioni della tensione di polarizzazione. Varianti del circuito a ponte di impedenze. Introduzione ai segnali modulati in ampiezza, frequenza e fase. Cenni su modulazioni di tipo impulsivo (PAM, PWM, PPM). Proprietà di immunità alla distorsione non-lineare ed ai disturbi. Circuiti demodulatori d'ampiezza, demodulazione di ampiezza sincrona, mixer a FET freddo. Demodulazione di segnali con modulazione impulsiva. Amplificatore a chopper. Isolamento elettrico mediante trasformatore. Amplificatore selettivo. Esempi di impiego dell'amplificatore-limitatore. Principi di funzionamento dei circuiti oscillatori sinusoidali. Impieghi degli oscillatori come generatori di portante, clock, modulatori di frequenza (VCO) e come generatori di segnali modulati impieganti sensori di tipo risonante. Conversioni Analogico/Digitale e Digitale/Analogico: quantizzazione, codifica binaria, errore di quantizzazione. Principio di funzionamento del circuito comparatore con isteresi. Circuiti per la conversione D/A. Circuiti per la conversione A/D: a successive approssimazioni, flash/parallelo e a doppia rampa. Campionamento dei segnali e circuiti Sample/Hold.

Esercitazioni. Le esercitazioni riguarderanno esempi pratici di analisi e progetto di circuiti con l'impiego di strumenti CAD.


Testi/Bibliografia

- J. Millman, A. Grabel, P. Terreni, Elettronica di Millman, McGraw-Hill.

- P. U. Calzolari, S. Graffi, Elementi di Elettronica, Zanichelli.

- M. Rashid, Fondamenti di elettronica, Apogeo

Metodi didattici

Il corso prevede lezioni frontali ed esercitazioni. Le esercitazioni saranno svolte presso il LAB 1)usando il programma LTSPICE e consentiranno agli studenti di studiare mediante simulazione numerica il comportamento di diversi tipi di circuiti elettronici impiegati nell'ambito dell'automazione industriale. Gli studenti che lo desiderano potranno approfondire le conoscenze acquisite nel corso svolgendo tesi di laurea su argomenti riguardanti i circuiti elettronici impiegati nei sistemi di automazione.

Il corso è suddiviso in due parti, una tenuta dal prof. Alberto Santarelli (90 ore - Moduli 1, 2), e l'altra dal prof. Fabio Filicori (30 ore - Modulo 3).

Modalità di verifica dell'apprendimento

La prova di accertamento è orale. La prova mira a verificare: 1. l'acquisizione della conoscenza degli argomenti del programma del corso; 2. a valutare il livello con cui lo Studente ha approfondito lo studio delle tematiche proposte a lezione e in laboratorio; 3. la sua capacità di esposizione degli argomenti in termini di chiarezza e proprietà di linguaggio tecnico. Al Candidato verrà chiesto di esporre tre argomenti e, su richiesta, gli si consentirà prima del colloquio un tempo adeguato per la stesura in forma scritta dei supporti (formule, grafici, schemi) che riterrà opportuni per la successiva discussione.

Strumenti a supporto della didattica

Copie di lucidi impiegati nelle lezioni. Appunti del corso. Dispense delle esercitazioni

Link ad altre eventuali informazioni

http://www.dei.unibo.it/en/research/groups/edm-lab/index.html

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Alberto Santarelli

Consulta il sito web di Fabio Filicori