Documentazione pdf

Automazione di un parcheggio
Classe 5° B
2007/2008
ITIS
“
G. Galilei “ Albenga
AREA DI PROGETTO
1
Elenco Alunni:
1. Barberis Gianluca
2. Beltramo Luca
3. Benincasa Roberto
4. Cacciò Chiara
5. Casagni Kevin
6. Donzellini Roberto
7. Lisotto Andrea
8. Merchionne Umberto
9. Mosca Marco
10. Piazza Pierfranco
11. Ratto Fabiano
12. Ravaschino Mattia
13. Richero Emanuele
14. Robaldo Mattia
15. Scarlatta Michel
16. Sciarrotta Christian
17. Toma Alessandro
18. Vacca Rossano
19. Vruna Riccardo
Professori:
Ing. Cirio Giovanni
P.I. Bianco Fernando
2
Progetto:
Ad un parcheggio auto privato di 16 posti si accede tramite un ingresso ad una sola corsia lunga
150m. Gli ingressi e le uscite devono essere gestite a senso alternato secondo le specifiche seguenti.
Specifiche:
•
l'accesso al parcheggio è consentito con un unico passo carrabile,largo tre metri e lungo
centocinquanta metri.nel parcheggio sono disponibili 16 posti auto.
•
Si desidera gestire a senso unico alternato.
•
Impedire l'entrata quando il parcheggio è pieno.
•
I sensori sono lungo il passaggio SE1 si trova all'estremità adiacente la strada;SI1 si trova
all'estremità adiacente al parcheggio.
•
•
•
•
La sbarra SB è normalmente chiuso e si apre solo quando transita un'auto.
Un sistema di conteggio deve misurare il numero di posti occupati o liberi e bloccare
l'apertura in entrata della sbarra quando il parcheggio è pieno,sul lato strada su deve
accendere la scritta “pieno”.
In prossimità dell'accesso lato strada una scritta lampeggiante “attendere” segnala se il
passaggio è impegnato da un'auto che sta uscendo analogamente dal lato parcheggio una
scritta lampeggiante segnala se un'auto sta entrando.
Quando un'auto entra appena rilevata dal SE1 si deve accendere la scritta “attendere” sul
lato parcheggio quando è rilevata dal SE2 si deve alzare la sbarra,passando attraverso SI2 si
deve abbassare la sbarra e incrementare il contatore dei posti occupati,passando attraverso
SI1 si spegne il lampeggio dal lato parcheggio,quando un'auto esce le operazioni sono in
ordine inverso.
Planimetria
3
Schema a blocchi: (Beltramo)
SI 1
SI 1
SI 2
SI 2
M
Macchina
a
stati
Contatore
U/D
posti liberi
semaforo
Display
posti liberi
sbarra
SE 2
SE 2
SE 1
Lampada
+
display
SE 2
Pilotaggio
motore
sbarra
555
pilot TX
Ipotesi di Lavoro sul Progetto:
“ I semafori vengono sempre rispettati dagli automobilisti“.
Stato di S1 e S4:
se valgono 1 vi è passaggio di auto;
se valgono 0 non vi è passaggio di auto.
Si usa un Contatore avanti – indietro per i posti liberi.
Per gestire il Contatore usiamo 2 bit:
00 CONTATORE FERMO
01 + 1 INCREMENTO
10 -1 DECREMENTO
11 NON SI VERIFICA
Per il semaforo:
V V R R
V R V R
Usiamo 2 bit ,uno per ogni lampada con l' assegnazione {0 VERDE ; 1 ROSSO.
4
Ogni stato è quindi del tipo:
semaforo lato parcheggio
STATO / X X X X
contatore
semaforo lato strada
Automa: (modello di Moore)
S1
S4
C
Q2
Q1
Q0
RC1
MEM
RCU
Diagramma a Stati:
(Benincasa, Scarlatta)
Gli stati sono 6, abbiamo bisogno di 3 bit per indicare:
STATO
STATO
STATO
STATO
STATO
STATO
Ø=
1=
2=
3=
4=
5=
000
001
010
011
100
101
5
Pertanto nella rete combinatoria d' ingresso abbiamo la seguente tabella:
Rete combinatoria di ingresso: (Toma, Piazza)
tabella di verità della RCI e Mappa di Karnaught della RCI (Toma, Piazza, Ravaschino)
S1 S4 Q2 Q1 Q0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
0
0
1
0
0
0
1
0
1
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
1
0
1
1
0
0
0
0
0
0
1
0
1
1
0
0
1
0
1
0
1
1
0
0
0
0
1
0
1
1
0
1
1
0
0
0
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
0
0
1
1
0
0
1
0
Q2f Q1f Q0f
1
0
1
0
1
0
6
Mappe:
S1
0
1
S4 Q2
Q1Q0 00
00 0
S4 Q2
01
1
11
1
10
1
Q1Q0 00
00 0
01
x
11
x
10
x
01
0
1
x
x
01
0
1
x
x
11
0
x
x
0
11
x
x
x
x
10
0
0
x
0
10
x
1
x
x
Q2f = S1(Q1*Q2+Q1*S4)+S1*S4*Q2
S1
0
1
S4 Q2
Q1Q0 00
00 0
S4 Q2
01
0
11
0
10
0
Q1Q0 00
00 0
01
x
11
x
10
x
01
1
0
x
x
01
0
1
x
x
11
0
x
x
1
11
x
x
x
x
10
1
0
x
1
10
x
1
x
x
Q1f = S1(Q1*Q0*S4*Q2+Q1*S4+Q1*Q0*S4*Q2)+S1*S4*Q2
S1
0
1
S4 Q2
Q1Q0 00
00 0
S4 Q2
01
1
11
0
10
0
Q1Q0 00
00 1
01
x
11
x
10
x
01
0
1
x
x
01
1
0
x
x
11
0
x
x
1
11
x
x
x
x
10
0
0
x
1
10
x
0
x
x
Q0f=S1(Q1*S4*Q2+Q1*S4)+S1*S4*Q2
7
Progetto della rete RCU (Barberis, Vruna, Merchionne)
Q2
Q2
Q2
Q1Q0
OO
0
0
1
0
O1
0
0
11
1
1
10
0
0
C1=Q1 Q0
Q1Q0
OO
0
0
1
0
O1
1
0
11
0
0
10
0
0
C0=Q1 Q0 Q2
Q1Q0
OO
0
1
1
0
O1
0
1
11
0
1
10
0
0
S1=Q1 Q0 Q2 + Q2
Q1Q0
OO
Q2
0
1
Q2
0
0
0
0
1
1
O1
1
0
Q1
0
0
1
1
0
0
11
0
0
Q0
0
1
0
1
0
1
10
0
0
0
0
C1
0
0
0
1
0
0
C0
0
1
0
0
0
0
8
S0=Q1 Q0 Q2
S1
1
0
0
0
0
1
S0
1
0
0
0
0
0
Schema elettrico della macchina a stati
Realizzata con circuitmaker
S1
0V
U2C
clock
U6D
S4
0V
U4B
U2B
U16A
CP1 Q1
CP2 Q2
U10A
U4A
U5A
D
CP
Q
_
Q
U11A
D
CP
U9B
U10C
U10D
U15B
D
U1B
CP
Q
_
Q
Q
_
Q
Q2
Q1
L4
Q0
U16C
S2
0V
L2
U16D
U8A
U12B
U2D
U4D
L1
U2E
L5
L3
U2F
L6
U13A
U10B
U16B
U4C
U7A
U15C
U12C
U15D
U3A
le uscite dalle porte U16C e U16D sono gli ingressi del contatore U/D
Contatore U/D (Toma, Piazza)
L5
V4
0V
V2
0V
U3A
U2B
U2A
V3
0V
V5
5V
DISP1
U1
74LS191
4 CE
14
11 CP
5 PL
9 U/D
10 D3
D2
1
15 D1
D0
L1 L2 L3 L4
4321
13
RC 12
TC 7
Q3 6
Q2
Q1 2
Q0 3
V1
5V
Altra versione:
V1 5V
Gnd
R1
1.5k
I
D
R2
1.5k
4 74LS191
14
11
13
5
12
9
7
10
6
1
2
15
3
.gfedcba
DM9368
A3
A2
A1
A0
LT
RBI
9
g
f
e
d
c
b
a
RBO
Alimentatore duale: (Beltramo, Donzellini, Vacca)
10
Trasmettitore a infrarossi:
+12V
D1
LED TX
NE
555
1 Gnd
2 Trg
3 Out
4 Rst
120
Vcc 8
Dis 7
Thr 6
Ctl 5
1k
10nF
Ra
1.5k
Rb
15k
47nF
(Barberis, Merchionne, Vruna)
sbroglio:
11
B
C
E
Ricevitore a infrarossi:
(Barberis, Merchionne, Vruna)
+12V
15K
10K
+5V
33
-12V
1M
10k
RX IR
0.1uF 100k
OUT
+
10k
+12V
-12V
Il diodo SCR
I thyristors rappesentano una famiglia di semiconduttori
piuttosto particolari, caratterizzati dal funzionamento tipo
"switch" (ovvero "interruttore"), e formati dalla
sovrapposizione di quattro strati p-n-p-n disposti a sandwich. I
tiristori sono utilizzati nei circuiti di commutazione e controllo
della potenza, sia con tensioni continue che con tensioni
alternate. In questa sede parleremo dei componenti più
comuni, ovvero il diodo SCR, il TRIAC, il DIAC ed il
transistor unigiunzione (UJT)
Confrontando la composizione di un SCR col comune diodo visto nelle lezioni precedenti, si
osserva che il diodo SCR è costituito da tre giunzioni (figura 1, parte sinistra):
- una giunzione PN (indicata con g1)
12
- una giunzione NP (g2)
- una seconda giunzione PN (g3)
Sempre in figura 1, a destra, vediamo la rappresentazione simbolica di un SCR, con un anodo, un
catodo ed un elettrodo in più: il gate.
Se colleghiamo all'anodo una tensione positiva rispetto al catodo, a differenza del diodo comune, il
diodo SCR non lascia passare corrente; succede infatti che, mentre le giunzioni g1 e g3 sono
polarizzate nel giusto verso, la giunzione g2 risulta polarizzata inversamente, e quindi blocca il
passaggio della corrente. Se tuttavia si applica sull'elettrodo gate, che è collegato alla giunzione g2,
una tensione positiva rispetto al catodo, tale da causare l'effetto valanga nella giunzione stessa,
questa passa in conduzione e la corrente fluisce nel diodo.
Il funzionamento del diodo SCR può essere compreso immaginandolo come composto da due
transistor collegati nel modo che si vede in figura 2. Applicando all'anodo una tensione posistiva
rispetto al catodo, non passa alcuna corrente, poichè sia il transistor PNP che quello NPN,
mancando una tensione di base, risultano interdetti. Se tuttavia si applica al gate (e quindi alla base
del transistor NPN) una tensione Vi, positiva rispetto al catodo, tale da provocare la conduzione del
transistor, si innesca un processo che è autorigenerante. Il transistor NPN, infatti, cominciando a
condurre, fa passare corrente nella base del PNP; questo a sua volta inizia a condurre, e la corrente
che lo attraversa entra sulla base del transistor NPN, mandandolo in conduzione ancora più spinta.
A questo punto, non ha alcuna importanza se la tensione Vi sul gate è sempre presente o meno:
innescata la conduzione, il diodo SCR continua a condurre in maniera autonoma, finchè non si
toglie alimentazione al circuito.
Osserviamo due importanti differenze fra il transistor, anch'esso
dotato di tre terminali, ed il diodo SCR:
1- la corrente che passa nel circuito di collettore di un transistor è
proporzionale alla corrente di base; la corrente in un diodo SCR
non può assumere valori intermedi: o passa o non passa
2- Se nel transistor rimuoviamo la tensione di base, il transistor
non conduce più; il diodo SCR, una volta portato in conduzione,
non è più comandabile dall'elettrodo di controllo: continua a
condurre anche rimuovendo la tensione dal GATE.
La figura 3 mostra la caratteristica del diodo SCR. Nel quadrante destro in alto si vede che il
13
diodo non conduce finchè non si raggiunge una tensione detta di "breakover"; superata tale
tensione, la curva torna indietro e diventa quella di un normale diodo rettificatore. Lo stesso
effetto, ovvero il passaggio alla conduzione, può essere raggiunto applicando al gate una piccola
tensione positiva (siamo nella regione dello stato "ON", ovvero della conduzione diretta).
IL è la "latching current" (corrente di scatto), ovvero la corrente necessaria per innescare la
conduzione, mentre IH è la "holding current" (corrente di mantenimento), ovvero la minima
corrente sufficiente a mantenere il diodo in conduzione; il grafico di figura 4 mostra, per un
determinato tipo di SCR, il valore di tali correnti in funzione della temperatura.
Dal lato opposto è tracciata la caratteristica inversa, che
risulta uguale a quella di un comune diodo raddrizzatore,
con il passaggio di corrente dovuto all'effetto valanga che si
produce quando si supera la massima tensione inversa.
I principali valori che caratterizzano un diodo SCR sono:
1- Peak forward and reverse breakdown voltages (tensione
di picco di breakdown diretta e inversa)
2- Maximum forward current (massima corrente diretta)
3- Gate trigger voltage and current (tensione e corrente di gate)
4- Minimum holding current, Ih (valore minimo della corrente di mantenimento)
5- Power dissipation (potenza dissipabile)
6- Maximum dV/dt (massima velocità di variazione della tensione in funzione del tempo)
(quest'ultimo valore si riferisce ad un limite caratteristico degli SCR: se la tensione applicata sale
troppo rapidamente, il diodo SCR può andare in conduzione da solo; diventa quindi importante
conoscere il massimo valore di dv/dt consentito affinchè non avvenga l'innesco spontaneo).
In
in
è
figura 5 è rappresentato un SCR di potenza, prodotto dalla IR
(International Rectifier): si tratta del diodo 10TTS08; è fornito
contenitore TO-220, e può lavorare con correnti fino a 6,5 A e
tensioni fino ad 800 V.
Le lettere indicano i tre elettrodi: K(catodo), A(anodo) e
G(gate). Come si vede, l'aspetto non differisce da quello di un
qualsiasi transistor di potenza.
Un semplice circuito per provare il funzionamento di un SCR
riportato in figura 6. Collegato il circuito all'alimentazione,
non passa alcuna corrente; basta tuttavia premere anche per un
attimo il pulsante P perchè il diodo SCR passi in conduzione,
facendo accendere il Led.
Una volta che il led è acceso, l'unico modo per interrompere il
passaggio di corrente è quello di staccare l'alimentazione al
circuito.
Thyristors: IL TRIAC E IL DIAC
Il Triac è uno dei componenti di maggior interesse della famiglia dei thyristors; potendo controllare
il passaggio della corrente in entrambi i sensi, esso rappresenta una delle soluzioni più efficienti ed
economiche per il controllo della potenza assorbita dagli utilizzatori funzionanti con tensioni
alternate.
IL TRIAC
14
Il triac può essere considerato come due diodi SCR collegati in antiparallelo, ovvero affiancati, ma
con direzioni opposte (schema a) della figura 1). Gli anodi dei due SCR diventano i terminali
principali del triac, ed assumono il nome di MT2 e MT1 (Main Terminal 1 e Main Terminal 2). I
gate dei due SCR vengono collegati insieme, e diventano il gate del triac
In b) si vede la costruzione a blocchi di un triac, mentre in c) è riportato il suo simbolo schematico.
figura 1
Come si è detto, il TRIAC può essere attraversato dalla corrente in entrambi i sensi; occorre notare,
inoltre, che il suo passagio allo stato "on", e cioè di conduzione, può avvenire applicando al gate
una tensione sia positiva che negativa. Queste molteplici possibilità di funzionamento possono
meglio essere illustrate facendo riferimento ad un grafico come quello di figura 2, detto "a quattro
quadranti". Ciascun quadrante rappresenta una diversa condizione di funzionamento del triac; le
polarità e quindi le tensioni sono sempre riferite al terminale MT1.
1° quadrante: Il terminale MT2 è postivo
rispetto al terminale MT1; la corrente che
attraversa il triac scorre infatti dall'alto verso
il basso. Il gate, a sua volta, è positivo rispetto
ad MT1, ed infatti la corrente di gate risulta
"entrante"
2° quadrante: MT2 è sempre positivo rispetto
ad MT1, mentre il gate è negativo; la corrente
di gate è una corrente che "esce"
3° quadrante: MT2 è negativo rispetto ad
MT1, ed infatti la corrente attraversa il triac
dal basso verso l'alto; la tensione applicata al
gate è negativa rispetto ad MT1
4° quadrante: MT2 è negativo rispetto ad
MT1, mentre al gate viene applicata una
tensione positiva.
figura 2
La scelta di far lavorare il Triac in un quadrante piuttosto che un altro, ovvero di scegliere una
tensione di gating positiva o negativa, modifica in modo più o meno importante le prestazioni del
dispositivo. In seguito alla disposizione fisica degli strati di semiconduttore che compongono il
triac, i valori della "latching current" (IL), della "holding current" (IH) e della "gate trigger current"
(IGT), variano da un quadrante all'altro.
Il funzionamento più utilizzato è quello corrispondente ai quadranti 1° e 3°, ovvero quando la
tensione applicata al gate ha la stessa polarità di quella applicata al terminale MT2; in tali quadranti
si ottiene un'ottima sensibilità di gate. Quando non sia possibile lavorare in detti quadranti, la
migliore alternativa è quella di utilizzare la coppia di quadranti 2° e 3°.
15
E' difficile per un triac lavorare nel 2° quadrante quando la corrente dei terminali principali è molto
bassa.
Il 4° quadrante presenta, fra tutti, la più bassa sensibilità di gate.
Per comodità e chiarezza, segue una tabella che riepiloga le principali grandezze caratteristiche dei
thyristors, col nome inglese ed il corrispondente significato in italiano:
BREAKOVER POINT
punto della caratteristica tensione-corrente in cui la
resistenza differenziale assume valore zero
OFF-State
condizione del tiristor caratterizzata da alta resistenza
differenziale e passaggio di corrente quasi nullo
ON-State
condizione del tiristor caratterizzata da bassa resistenza
differenziale e passaggio della corrente principale fra i
"main terminals"
Critical Rate-of-Rise of
Commutation Voltage of a
Triac (Commutating dv/dt)
il minimo valore della velocità di salita della tensione
principale, che provoca la commutazione del tiristore dallo
stato OFF allo stato ON
Critical Rate-of-Rise of OnState Current (di/dt)
la massima velocità di crescita della corrente principale che
il tiristor può sopportare senza deteriorarsi
IGT GATE TRIGGER CURRENT
VG
la minima corrente richiesta dal gate per far commutare il
tiristor dallo stato OFF allo stato ON
GATE TRIGGER VOLTAGE
la tensione da applicare sul gate per ottenere la
commutazione
IL
LATCHING CURRENT
il valore minimo di corrente tra anodo e catodo richiesto
per mantenere il tiristor in stato di conduzione,
immediatamente dopo la commutazione da OFF a ON e la
rimozione della tensione di gate
IH
HOLDING CURRENT
il valore minimo di corrente tra anodo e catodo richiesto
per mantenere il tiristor nello stato di conduzione
T
La tabella che segue fornisce un esempio dei valori che assumono le correnti caratteristiche nei vari
quadranti, per un triac da 4 A.
TIPICO TRIAC DA 4 A
1°quadrante 2°quadrante 3°quadrante 4°quadrante
IGT (mA)
10
16
25
27
IL (mA)
12
48
15
13
IH (mA)
10
10
11
11
16
Come si vede, la
corrente di gate risulta
di soli 10 mA quando
il triac viene fatto
lavorare nelle
condizioni
corrispondenti al 1°
quadrante, confermando con tale valore la migliore sensibilità; la stessa corrente passa a 27 mA
per il 4° quadrante, quello che presenta la minore sensibilità.
Il valore elevato (48 mA) della "latching current" nel 2° quadrante, coincide con una certa
difficoltà di innesco del triac.
17