Anno: 4 Periodo: 1
Impegno (Ore): lezioni: 4 esercitazioni: 3 Docente: Maurizio ZAMBONI
laboratori: 1 (ore settimanali)
PRESENTAZIONE DEL CORSO
ilcorso intende fornire i principi base dell'elettronica con particolare riferimento alle applica-zioni dei dispositivi, dei componenti elettronici e dei sistemi elettronici soprattutto in relazione alle loro applicazioni in ambiente industriale.
REQUISITI
Sono propedeutiche le nozioni del corso diElettrotecnica.
PROGRAMMA
Richiami di elettrotecnica. Partitore, equivalente di Thévenin e Norton. Calcolo simbolico.
Trasformata di Laplace.
Funzione di rete. Stabilità. Piano di Bode. Decibel. Diagrammi di Bode del modulo e della fase di poli e zeri del primo ordine. Esempi di curva di risposta. Banda passante.
Definizione del doppio bipolo. Amplificatori ideali di tensione, corrente, transresistenza e transconduttanza. Cascata di doppi bipoli.
Risposta al transitorio di reti Re.Tilte tempo di salita. Uso dell'onda quadra per lo studio degli amplificatori.
Introduzione ai semiconduttori. La giunzione pn.Caratteristica del diodo. Zona di breakdown.Diodo Zener.
Circuito del diodo per piccolo e grande segnale. Circuiti !imitatori e formatori. Voltmetri di cresta. Raddrizzatori ad una e doppia semionda. Ponte di diodi. Regolatori con Zener.
Comportamento termico dei dispositivi. Transistore bipolare. Funzionamento in linearità, saturazione e interdizione. SOA.
Polarizzazione del transistore. Modello per piccolo segnale. Stadi CC e CE. Darlington.
Derive.Amplificatori per alternata e continua.
Stadio differenziale.Offsetederive.Voff' Ibiase Ioff" Accenni ai JFET e MOSFET.
Operazionale. Modello per modo comune e differenziale.Offsetederive.Amplificatori di ten-sione e corrente. Effetti della non idealità di Ad' Impedenza di ingresso ed uscita.
Amplificatori di transresistenza e di tensione invertente. Sommatori, integratori e derivatori.
Amplificatori di transconduttanza e di corrente. Reazione negativa. Stabilità nel dominio del tempo e della frequenza.
Studio della stabilità in sistemi reazionati. Margine di fase e di guadagno. Calcolo del guada-gno. Compensazione a polo dominante e a polo-zero. Considerazione sugli operazionali commerciali.
Comparatori di soglia senza e con isteresi. Generatori di forme d'onda. Astabile, generatore di onda triangolare e sinusoidale.
Regolatori di tensione regolabili e fissi. Regolatori a tre terminali (78XX). Alimentatori swit-ching step-up, step-downefly-back.
Sistemi di acquisizione dati. Teorema del campionamento. Quantizzazione.
Convertitori DAe. DAC a resistenze pesate. DAC a rete R-2R, potenziometrici, a capacità commutate. Analisi degli errori.
Convertitori ADe. Caratteristiche ed errori. ADe ad inseguimento, ad approssimazioni suc-cessive,flash,a singola e doppia rampa.
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- Sample and hold.Caratteristiche ed errori. Circuiti con due operazionali.
- Segnali logici. Livelli di tensione e di correnti.Fan out,compatibilità. Tempo di propagazio-ne. Consumo. Logiche TTL e CMOS.
- Stadi di uscitatotem-pole, open collectorethree state.Blocchi combinatori (MPX, ALU,decoder, multiplier).FF-SR. Circuiti sequenziali.
- Circuiti sincroni. FF
JK
e D. Sincronizzazione ed orologio(dock).PET, NET,latch.Progetto di contatori,shift,macchine a stati.- (Memorie (ROM, RAM, PROM, EPROM,...).
LABORATORI E/O ESERCITAZIONI 1. Reti elettriche, funzioni di trasferimento.
2. Analisi del transitorio, risposta all'onda quadra.
3. Circuiti con diodi (lirnitatori, formatori, circuiti di protezione).
4. Circuiti con diodi Zener (regolatori).
5. Operazionali: lettura e commento delle caratteristiche.
6. Operazionali:offsetederive,dimensionamento dei componenti esterni.
7. Operazionali: circuiti base (amplificatori, sommatori,filtri).
8. Operazionali: circuiti non lineari (diodo ideale, raddrizzatori).
9. Generatori di forma d'onda.
lO. Alimentatore stabilizzato 78xx.
n.Famiglie logiche (lettura caratteristiche, interfacciamento, progetto di circuiti elementari).
L'attività di laboratorio consisterà in:
1. Uso di alcune apparecchiature elettroniche (oscilloscopio, generatore di segnale, alimenta-tore).
2. Comportamento di circuiti RC, rivelatori di cresta.
3. Circuiti con operazionali (amplificatori, sommatori,filtri).
Famiglie logiche (transcaratteristica, tempi di propagazione, interfacciamento).
BIBLIOGRAFIA Testo di riferimento:
Non esiste un testo che copra tutti gli argomenti del corso allivello richiesto.
Testi ausiliari:
T.E Bogart,Electronic devices and circuits,Merril-Macrnillan, 1993.
E. Cuniberti [et al.],Elettronica: componenti e tecniche circuitali,Petrini, 1993.
J.
Millrnan, A. Grabel,Microelectronics,McGraw-Hill, 1987.ESAME
Prova scritta di 40 minuti relativa a semplici progetti usando le metodologie studiate ad eserci-tazione. Prova orale sulla teoria.
P1810
Il corso si propone di fornire agli studenti gli strumenti teorici ed operativi per poter sviluppare l'analisi energetica di tutti quei sistemi nei quali si operano trasformazioni tra le diverse forma di energia. Dopo un'introduzione storica, si introducono i criteri per la classificazione e la quantificazione delle forme di energia primarie. Segue un richiamo dei concetti fondamentali della termodinamica elementare nel quale si approfondiscono in particolare la teoria dell'exer-gia e della termodinamica della combustione, applicando queste nozioni per il calcolo del com-portamento termodinamico e della efficienza dei principali componenti ed impianti energetici.
Nella seconda parte del corso, dopo aver introdotto i concetti fondamentali della matematica finanziaria e della teoria della scelta tra diversi investimenti, si approfondiscono i fondamenti della teoria detta termoeconomia con la quale si studiano le implicazioni di tipo economico-finanziario della applicazione della termodinamicaaisistemi energetici. Si danno alcuni cenni ai problemi di costi reali e di tariffe. La terza parte del corso è dedicata alla classificazione degli usi finali dell'energia nel mondo intero e in Italia. Nella parte finale si illustrano i problemi del-l'impatto ambientale dei sistemi energetici.
REQUISITI
Èfondamentale aver frequentato i corsi diFisica TecnicaeMacchine PROGRAMMA
Cenni storici.Elementi di storia dell'uso dell'energia dalle società preindustriali e paleo indu-striali a quella contemporanea. Cenni di storia della Termodinamica e del concetto di Energia. [4 ore]
Richiami di termodinamica.Definizioni fondamentali. Lo studio dei fluidi con attrito viscoso. Il lavoro e il calore. Il primo principio della Termodinamica. Energia interna ed Entalpia, I sistemi aperti. Il secondo principio. Il rendimento delle macchine termiche. La diseguaglian-za di Planck. Entropia Reversibilità. Applicazione dei principi alle macchine a rinnovamento di fluido (i sistemi aperti) ed ai principali tipi di impianti energetici.[lOore]
Lateoria del!'exergia.L'evoluzione dei sistemi verso l'equilibrio. La biosfera e lo stato di riferi-mento. Il teorema dell'energia utilizzabile o exergia. Le equazioni per i sistemi chiusi ed aperti. I concetto di lavoro massimo e di lavoro perso. Il rendimento generalizzato. Analisi exergetica di processi termodinamici semplici.[lOore]
Cenni di termodinamica della combustione e delle reazioni chimiche. Definizioni. Miscele di gas ideali.. Le reazioni chimiche: calcolo dell'energia interna, dell'entalpia e dell'entropia.
Condizioni per l'equilibrio. La coordinata di reazione. Reazioni chimiche dei gas ideali.
Temperatura di combustione adiabatica. La combustione degli idrocarburi. Il potere calorifi-co e l'exergia della calorifi-combustione. [4 ore]
Lefonti energetiche.Le fonti di energia primaria. Le fonti rinnovabili e non rinnovabili. I com-bustibili fossili. L'energia nucleare. Le riserve accertate e presunte. Il sistema energetico pla-netario e nazionale. I consumi energetici negli ultimi decenni analizzati per entità e tipolo-gia. I fattori che influenzano i consumi. La struttura dei consumi. Le previsioni dei fabbiso-gni per il futuro. [4 ore]
Le fonti energetiche secondarie.L'energia elettrica di origine termica, nucleare, idraulica. Gli impianti di cogenerazione. Le pile a combustibile. I sistemi a energia totale. [4 ore]
- I componenti e le tecnologie degli impianti energetici fondamentali.Le fonti di energia secondaria, elettrica, idroelettrica, termica e nucleare. Compressori ed espansori. Misce!atori e separatori di fluidi. I condotti percorsi da fluidi viscosi. I combustori a pressione e volume costante.
Scambiatori di calore. Condensatori. Rassegna dei principali tipi di impianti energetici con particolare attenzioneaisistemi per la produzione combinata. Analisi degli schemi fonda-mentali e delle tecnologie per la trasformazione dell'energia dei combustibili in energia ter-mica ed elettrica. Impianti frigorigeni. Impianti a gas per la produzione combinata di calore e lavoro. Impianti a vapore per la produzione combinata di calore e lavoro. Impianti di riscaldamento e cogenerazione urbani. I metodi per l'analisi e il calcolo delle reti di distribu-zione di fluidi in pressione con particolare attendistribu-zione alle reti per il riscaldamento urbano centralizzato.[lOore]
- Nozioni elementari di matematica finanziaria.I concetti di valore e di costo di un bene. Interesse.
Redditività. Tassi di interesse e di sconto. Formule finanziarie. L'ammortamento..
L'inflazione. La valutazione degli investimenti.ilmetodo dei flussi di cassa. L'analisi costi-benefici. [4 ore]
- Energetica industriale e termoeconomia.La rappresentazione dei sistemi energetici naturali ed industriali.Leequazioni di bilancio di energia e di valore.ilcosto operativo dei beni. I criteri di ottimizzazione termoeconomica. I metodi di sostituzione. I metodi algebrici di contabilizzazio-ne econtabilizzazio-nergetica. L'analisi disaggregata dei costi contabilizzazio-negli impianti econtabilizzazio-nergetici. I parametri di valutazio-ne dell'efficienza evalutazio-nergeticaedeconomica. I metodi di ottimazione termoeconomica.[lOore]
- Legislazione e normativa.Rassegna delle norme principali e delle leggi in vigore in Italia e nella Unione Europea in materia di energia. Analisi del sistema delle tariffe energetiche. [2 ore]
- Cenni allo studio del!'impatto ambientale indotto dagli usi energetici.I metodi di valutazione. La normativa e le leggi vigenti. [2 ore]
LABORATORI E/O ESERCITAZIONI
Esercizi svolti in aula sui temi trattati a lezione. Calcolo completo dei cicli termodinamici per una centrale di cogenerazione a gas (ciclo Joule) e a vapore (ciclo Rankine in contropressione).
Sviluppo completo della analisi energetica, exergetica e termoeconomica di un caso reale per il quale gli allievi sono guidati ad acquisire i dati sul campo, ad ordinarli ed analizzarli secondo i metodi sviluppati nella parte teorica del corso ed a proporre uno studio di fattibilità di soluzio-ni alternative a quelle rilevate.
VISITE TECNICHE
Saranno organizzate visite tecniche ad alcuni impianti energetici dell'Italia nord-occidentale, significativi per dimensioni e tecnologia.
BIBLIOGRAFIA
Appunti delle lezioni e materiale didattico distribuito dal docente TESTI AUSILIARI
M.Calì, P.Gregorio,Termodinamica,Porgetto Leonardo, Bologna. 1997.
A.Bejan, G.Tsatsaronis, M.Moran,Thermal Design And Optimisation,J.Wiley, 1996.
KotasT.J.,TheExergy Method OfThermal Plant Analysis,Butterwoths, Landon 1985
Pedrocchi E.,PrevisioniDiFabbisogno Energetico Per L'italia,La Termotecnica, giugno 1993, pp.25-29. PrevisioniDiFabbisogno Energetico Per Il Mondo, La Termotecnica, maggio 1993, pp.21-28.
Silvestri M.,Il Futuro Dell'energia,Bollati Boringhieri, 1989.
ESAME
L'esame consiste nella esposizione della monografia preparata nel corso dell'anno e in un collo-quio orale durante il quale l'allievo è tenuto a rispondere sugli argomenti di teoria trattati nelle lezioni.