Maturità - 2005 Elettronica

M049 - ESAME DI STATO ISTRUZIONE PROFESSIONALE

a.s. 2004/2005

CORSO DI NUOVO ORDINAMENTO

Indirizzo: TECNICO DELLE INDUSTRIE ELETTRONICHE

Tema di: ELETTRONICA, TELECOMUNICAZIONI ED APPLICAZIONI

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 Volt. Questi valori massimi si riducono notevolmente a seconda della quantità dì luce solare che raggiunge gli elementi.

Per monitorare la potenza elettrica prodotta durante la giornata e nelle, varie condizioni climatiche, si misurano tensione prodotta e la corrente prodotta.

Questi dati devono essere rilevati ogni 5 minuti e conversati 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 Volt per essere adattate all'ingresso del convertitore analogico-digitale 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 condlzionamento dei segnali in uscita dal sensori;

3. indichi il tipo di convertitore analogico-digitale idoneo per questo impiego;

4. descriva il sistema di memorizzazione dei valori acquisiti;

5. illustri le metodologie di collaudo dei circuiti.

Durata massima della prova: 6 ore. E' consentito soltanto l'uso di manuali tecnici e calcolatrici non programmabili. Non è consentito lasciare l'Istituto prima che siano trascorse 3 ore dalla dettatura dei tema.

IPOTESI AGGIUNTIVE

Se il pannello fotovoltaico eroga 3,3A massimi alla massima tensione di 16,5V evidentemente alimenta un carico di resistenza pari a

R=V/I =16,5/3,3=5 Ohm.

Ne consegue che la potenza massima sarà Pp = Vp x Ip = 16,5 x 3,3 = 54,45 Watt

Considerato che ha senso il monitoraggio della potenza soltanto durante il giorno e non durante la notte, si ipotizzano 12 ore di sole utile ai fini del campionamento ogni 5 minuti.

SCHEMA A BLOCCHI

CONVERTITORE CORRENTE/TENSIONE

Sapendo che il sensore di Hall restituisce 15 mA quando sollecitato da un campo magnetico creato dal filo percorso da 15A ne consegue che alla sua uscita otterremo 1 mA per ogni Ampere di corrente circolante nel filo tra pannello e carico.

Pertanto quando il pannello genera la sua massima potenza a 3,3A il sensore mi darà 3,3 mA.

In queste condizioni il circuito di condizionamento deve fornire 2,5V.

Il più semplice circuito di condizionamento in questo caso è una semplice resistenza che per la legge di Ohm R=V/I pertanto sarà

R=2,5/(3,3 10 ^–3) = 0,75757 Kohm =757,57 Ohm

CONDIZIONAMENTO DELLA TENSIONE

Per condizionare la tensione del pannello tra 0V e 16,5V in una tensione compresa tra 0V e 2,5V si può utilizzare un partitore che dovrà attenuare:

A=16,5/2,5 = 6,6 volte.

CONVERSIONE CON ADC

Scegliendo un ADC a 8 bit con 2,5 V d'ingresso massimi sono possibili 2⁸ combinazioni cioè 256, (una combinazione per il valore 0 V) pertanto ogni bit ha un peso di 2,5V/255=0,009804 V cioè circa 10 mV/bit.

Rapportato alla tensione massima del pannello sarà 16,5/255= 64,7 mV.

Ipotizzando un errore di conversione di ± 1 bit, l'errore massimo nell'apprezzare la lettura della tensione del pannello solare è di ± 65 mV, più che accettabile per la grandezza da misurare.

L'integrato ADC non deve avere altre particolari caratteristiche ad esempio la velocità di conversione non è affatto critica considerato che il campionamento avviene ogni 5 minuti ed inoltre il pannello non cambia repentinamente la sua tensione d'uscita. Reputo più che sufficiente l'utilizzo di un normale ADC801.

Con un microcontrollore usando il suo ADC interno si potrebbe effettuare più conversione e continuare a sommare gli 8 bit dell'ADC per 256 volte contando i riporti ottenuti in un altro byte che rappresenterebbe la media; in tal modo il valore letto sarebbe molto più preciso essendo mediato su ben 256 campionamenti.

Anche per la corrente si può sapere il peso di un bit cioè 3,3A/255=0,01294 A pari a @ 13 mA pertanto l'errore ipotizzabile sarà di ± 13mA anche questo accettabile.

LOGICA DI CONTROLLO MUX, ADC, MEMORIA

Per non utilizzare due ADC e due memorie si è pensato di utilizzare un dispositivo che seleziona prima V1 e poi V2 (multiplexer) da inviare in successione ad un unico ADC. Per tale scopo si può utilizzare o un relè con contatto di scambio a deviatore oppure un deviatore analogico integrato tipo il CD4051 o meglio un MAX4644 (mux).

La logica di controllo sarà abilitata dal timer ogni 5 minuti per i campionamenti e ogni 12 ore per l'invio giornaliero al PC; questa dovrà sovrintendere alla selezione del canale (mux), all'abilitazione/lettura (CS-RD) dell'ADC e alla predisposizione dell'indirizzamento della memoria con adeguati livelli in sequenza temporale per la selezione Scrittura/lettura (R/W) e Input/Output (I/O).

TIMER

In base alla premessa d'inizio, il timer si resetta dopo che sono trascorsi 12 ore ed inviato al PC i dati memorizzati nella flash e rimane fermo fino a che il circuito, comandato dalla foto resistenza, non passa dal buio della notte alla luce dei primi raggi di sole.

Terminato l'invio dei dati al PC la logica di controllo deve azzerare il contatore di indirizzo della memoria affinché, con il nuovo ciclo del giorno dopo, punti alla prima cella di memorizzazione. L'indirizzo si incrementerà dopo ogni conversione e relativa scrittura in memoria.

Il circuito timer per generare il tempo base di 5 minuti può essere realizzato con un integrato CMOS CD4060 mentre per il ritardo di 12 ore si utilizza un CD4040 configurato come divisore a modulo 144 e che ha come clock gli impulsi provenienti dal 4060 ogni 5 minuti.

FOTO RESISTENZA

Il blocco indicato con FHOTO RES. é basato su un sensore fotoresistivo che trasforma il buio/luce in un segnale 0/1 utilizzando ad esempio un circuito a scatto del tipo trigger di schmitt per abilitare col sole e bloccare col buio il timer.

Questo circuito potrebbe funzionare anche senza la fotoresistenza sfruttando la tensione stessa del pannello solare e riconoscere quando la sua tensione diventa nulla o sotto ad una certa soglia ed associare questo al buio viceversa se la tensione fornita supera un'altra soglia siamo in presenza di sole.

MEMORIA

La memoria FLASH utilizzata è di tipo programmabile e cancellabile elettricamente pertanto facile da gestire con il vantaggio di non perdere i dati anche se viene a mancare l'alimentazione. Le più comuni sono quelle realizzate con architettura di tipo NOR e NAND. In quelle di tipo NOR le singole celle sono connesse in parallelo il che consente l'accesso casuale alle celle di memoria, ideali pertanto per basse densità e alta velocità di lettura. Quelle di tipo NAND sono ottimizzate per l' accesso sequenziale, ovvero per la lettura di grandi quantità di dati memorizzati in indirizzi adiacenti. In base a quanto affermato in precedenza i campionamenti totali saranno 12 x 60/5 = 144 e ogni volta vengono salvati in memoria 2 byte (V1 e V2) pertanto la capacità della flash deve essere di almeno 288 byte.

Basterebbe pertanto una memoria da 512 byte (512 x 8 = 4096 Bit) ma forse sono obsolete vista la esegua capacità, infatti oggi si trattano memorie con capacità minime da 8 / 16 o più Kbyte per non dire Mbyte.

Il contatore di indirizzo in questo caso basterebbe a 9 bit cioè 2⁹ = 512.

MODEM

Il blocco indicato con modem si intende un sistema che, abilitato con il segnale del timer 12h, sia capace di acquisire i dati uscenti su un BUS di 8 bit dalla memoria e inviarli in modo seriale al PC.

Se la distanza fra il circuito di acquisizione e il PC è breve la comunicazione può avvenire utilizzando il protocollo RS232 oppure con RS485 su doppino telefonico per distanze anche di diverse decine di metri. Si può optare anche per un sistema WIRELESS basato su un sistema radiotrasmittente gestito sia in trasmissione che in ricezione con protocollo RS232.

COLLAUDO

Supponendo di aver finito la realizzazione dell'intero circuito e di trovarsi in un laboratorio attrezzato il collaudo per la verifica del funzionamento può avvenire anche senza il pannello fotovoltaico in quanto simulabile con un adeguato alimentatore a tensione variabile (0¸ 20V - 0¸ 5A).

Con un multimetro digitale effettuerei la misura di tensione V1 per valutare se il suo valore va da 0V a 2,5 quando vario la tensione tra 0V e 16,5 V dell'alimentatore che sostituisce il pannello.

Stessa cosa per la verifica di V2 controllando che questa vari tra 0V e 2,5 quando la corrente assorbita dal carico di 5 Ohm varia tra 0A e 3,3 A.

Sempre con l'alimentatore posso verificare il discorso del riconoscimento buio/ giorno e verificare se avviene regolarmente il blocco/sblocco del timer.

Accertato il corretto condizionamento dei segnali passerei alla taratura del timer verificando con frequenzimetro/periodimetro la corretta durate del periodo sul pin 9 del 4060. Per non aspettare sia i 5 minuti sia le 12 ore, sposterei il collegamento (predisposto nel montaggio) con apposito ponticello anziché sul pin 3 che divide per 16384 sul pin 14 che divide solo per 256 riducendo il tempo a 4,6 secondi.

Per il collaudo delle 12 ore si può ulteriormente accelerare prelevando i 5 minuti sul pin 7 che divide solo per 16 cosi 12h corrisponderanno a soli circa 42 secondi. Pertanto ogni 42 secondi osserverei con oscilloscopio l'uscita dal 4040 osservando un impulso in salita di breve durata (circa 5 mS).

A questo punto dovrei pure osservare che il modem legge ed invia i dati al PC.

Il PC con il suo adeguato software mi dovrebbe pure mostrare a video i dati ricevuti e dopo la rielaborazione avró a video la potenza generata dal pannello fotovoltaico.

A tal proposito il programma di monitoraggio dovrà ricostruire i valori di tensione e corrente reali partendo dai valori ricevuti dal sistema.

Sapendo che il 16,5V condizionato a 2,5 verrà convertito nel numero corrispondente a 255 per ritornare al valore reale di tensione il software dovrà prendere il valore numerico ricevuto e moltiplicarlo per il fattore di riconversione, cioè:

Vp= Nr x (2,5V/255 x 6,6)

ad esempio se Nr = 127 la tensione del pannello Vp = 127 x 0,06470588 = 8,217 V

Nel caso di Nr = 255 la tensione del pannello Vp = 255 x 0,06470588 = 16.5 V

Come si può constatare risponde a quanto previsto.

Per quanto concerne la corrente sappiamo che quando il pannello fornisce 3,3A pari a 3300 mA il PC riceverá un numero pari a 255 ne consegue che per riavere i mA reali si dovrà moltiplicare il numero per un fattore di riconversione, cioè:

Corrente erogata dal pannello Ip = Nr x 3300/255

Ad esempio nel caso in cui il numero ricevuto valga Nr=77 si avrá Ip = 77 x 3300/255 = 996 mA (1 A).

Trovare ora la potenza basta moltiplicare Vp x Ip.

CONSIDERAZIONI FINALI

Anche se la soluzione proposta é valida e ai fini del calcolo finale della potenza é piú preciso, considerato che viene eseguita dal PC, si poteva sostenere una soluzione diversa implementando subito il calcolo V x I prima del convertitore ADC mediante moltiplicatore ad operazionali configurati come amplificatore logaritmico e antilogaritmico.

Lo schema di principio é il seguente: