SISTEMI ELETTRONICI PER AUTOMAZIONE E ROBOTICA...

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SISTEMI ELETTRONICI PER AUTOMAZIONE E ROBOTICA a.a. 2015/2016 17/12/2015 TIPOLOGIA A K=numero lettere nome del candidato, S= numero lettere cognome del candidato, (Es. Andrea Rossi, K= 6, S=5) Esercizio 1 Un accelerometrobi-assiale, con uscita in tensione,ha su ogni asse PSD= K* (μg) 2 /Hz, Banda [0, S*100 Hz], range dinamico di misura [0,K*g]. La sensitività del sensore è 1 mV/g. Disegnare lo schema a blocchi e dimensionare un sistema di acquisizione e digitalizzazione che garantisce un errore di quantizzazione inferiore aK*0.1%. Confrontare errore di quantizzazione nella digitalizzazione con il rumore analogico di cui è affetto l’accelerometro. Quanta memoria (in byte) serve per memorizzare S minuti del segnale acquisito dai 2 assi?Che data- rate deve avere un canale di comunicazione per trasferire i dati acquisiti se si usa protocollo RS232? Che data-rate deve avere un canale di comunicazione per trasferire i dati acquisiti se si usa protocollo CAN? Esercizio 2 Disegnare lo schema circuitale completo di anello di controllo, dimensionare i componenti e disegnare l’andamento della corrente nel tempo nei componenti attivi e passivi di un convertitore DC-DC di tipo switchingcon Vin=5 V*K, Vout=2V*K, Iout= 0.5 A*S. Se si realizza il convertitore con un circuito lineare (opamp + transistor di passo) quanto vale l’efficienza massima raggiungibile? La potenza dissipata? La potenza assorbita dall’alimentazione di ingresso? Esercizio 3 Un sistema elettronico di potenza haTjmax= 150 o C, Rjc=S*0,1 o C /W, Rca=K*10 o C/W. Disegnare l’andamento della potenza dissipabile Pd in funzione della Tamb.Come cambia la curva Pd=f(Tamb) se si usa un dissipatore con Rd=Rjc?In presenza del dissipatore e con Tamb=30 o C che efficienza deve avere il sistema elettronico per fornire potenza utile di 1 kW a un carico? Esercizio 4 Disegnare lo schema circuitale e dimensionare i componenti di un filtro passa basso del secondo ordine che garantisce un guadagno in banda passante di S*5 dB fino a K*100 Hz.L’uscita in banda passante deve essere in opposizione di fase rispetto all’ingresso in banda passante. Se si alimenta il circuito tra – 3 V e + 3 V quanto valgono il range dinamico di ingresso e di uscita? Esercizio 5 Avendo a disposizione celle agli ioni di litio (NMC) con tensione nominale 3.6 V e capacità 5500 mAh, progettare una batteria per un robot. Tale robot deve essere alimentato con una tensione nominale di circa 18 V, inoltre, devono essere garantite almeno K ore di autonomia sapendo che esso consuma una potenza media di 150 W. Calcolare inoltre il tempo minimo necessario per ricaricare

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SISTEMI ELETTRONICI PER AUTOMAZIONE E ROBOTICA a.a. 2015/2016

17/12/2015 TIPOLOGIA A

K=numero lettere nome del candidato, S= numero lettere cognome del candidato, (Es. Andrea Rossi, K= 6, S=5)

Esercizio 1

Un accelerometrobi-assiale, con uscita in tensione,ha su ogni asse PSD= K* (μg)2/Hz, Banda [0, S*100 Hz], range dinamico di misura [0,K*g]. La sensitività del sensore è 1 mV/g.

Disegnare lo schema a blocchi e dimensionare un sistema di acquisizione e digitalizzazione che garantisce un errore di quantizzazione inferiore aK*0.1%. Confrontare errore di quantizzazione nella digitalizzazione con il rumore analogico di cui è affetto l’accelerometro.

Quanta memoria (in byte) serve per memorizzare S minuti del segnale acquisito dai 2 assi?Che data-rate deve avere un canale di comunicazione per trasferire i dati acquisiti se si usa protocollo RS232? Che data-rate deve avere un canale di comunicazione per trasferire i dati acquisiti se si usa protocollo CAN?

Esercizio 2

Disegnare lo schema circuitale completo di anello di controllo, dimensionare i componenti e disegnare l’andamento della corrente nel tempo nei componenti attivi e passivi di un convertitore DC-DC di tipo switchingcon Vin=5 V*K, Vout=2V*K, Iout= 0.5 A*S.

Se si realizza il convertitore con un circuito lineare (opamp + transistor di passo) quanto vale l’efficienza massima raggiungibile? La potenza dissipata? La potenza assorbita dall’alimentazione di ingresso?

Esercizio 3

Un sistema elettronico di potenza haTjmax= 150 oC, Rjc=S*0,1 oC /W, Rca=K*10 oC/W. Disegnare l’andamento della potenza dissipabile Pd in funzione della Tamb.Come cambia la curva Pd=f(Tamb) se si usa un dissipatore con Rd=Rjc?In presenza del dissipatore e con Tamb=30 oC che efficienza deve avere il sistema elettronico per fornire potenza utile di 1 kW a un carico?

Esercizio 4

Disegnare lo schema circuitale e dimensionare i componenti di un filtro passa basso del secondo ordine che garantisce un guadagno in banda passante di S*5 dB fino a K*100 Hz.L’uscita in banda passante deve essere in opposizione di fase rispetto all’ingresso in banda passante.

Se si alimenta il circuito tra – 3 V e + 3 V quanto valgono il range dinamico di ingresso e di uscita?

Esercizio 5

Avendo a disposizione celle agli ioni di litio (NMC) con tensione nominale 3.6 V e capacità 5500 mAh, progettare una batteria per un robot. Tale robot deve essere alimentato con una tensione nominale di circa 18 V, inoltre, devono essere garantite almeno K ore di autonomia sapendo che esso consuma una potenza media di 150 W. Calcolare inoltre il tempo minimo necessario per ricaricare

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completamente la batteria avendo a disposizione un caricabatteria con tensione d’uscita di circa 18 V e potenza pari a 500 W.

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SISTEMI ELETTRONICI PER AUTOMAZIONE E ROBOTICA a.a. 2015/2016

17/12/2015 TIPOLOGIA B

K=numero lettere nome del candidato, S= numero lettere cognome del candidato, (Es. Andrea Rossi, K= 6, S=5)

Esercizio 1

Uno straingauge tri-assiale, con uscita in tensione, Banda [0, K*100 Hz], range dinamico di misura [0,10-3*S*ɛ]. La sensitività del sensore è 1 V/ɛ.

Disegnare lo schema a blocchi e dimensionare un sistema di acquisizione e digitalizzazione che garantisce un SQNR superiore a K*10 dB. Quanto vale l’errore commesso riportato in Volt? E riportato in ɛ?

Determinare data-rate di uscita digitale e stabilire con S*Mbyte di memoria per quanto tempo posso memorizzare il segnale acquisito dai 3 assi?Che data-rate deve avere un canale di comunicazione per trasferire i dati acquisiti se si usa protocollo RS232? Che data-rate deve avere un canale di comunicazione per trasferire i dati acquisiti se si usa protocollo CAN?

Esercizio 2

Disegnare lo schema circuitale completo di anello di controllo, dimensionare i componenti e disegnare l’andamento della corrente nel tempo nei componenti attivi e passivi di un convertitore DC-DC di tipo switchingcon Vin=5 V*K, Vout=2V*K, Iout= 1 A*S.

Se si realizza il convertitore con un circuito lineare (opamp + transistor di passo) quanto vale l’efficienza massima raggiungibile? La potenza dissipata? La potenza assorbita dall’alimentazione di ingresso?

Esercizio 3

Un sistema elettronico di potenza haTjmax= 150 oC, Rjc=S*0,2oC /W, Rca=K*20 oC/W. Disegnare l’andamento della potenza dissipabile Pd in funzione della Tamb.Come cambia la curva Pd=f(Tamb) se si usa un dissipatore ideale?In presenza del dissipatore e con Tamb=10oC che efficienza deve avere il sistema elettronico per fornire potenza utile di 1.5 kW a un carico?

Esercizio 4

Disegnare lo schema circuitale e dimensionare i componenti di un filtro passa banda che garantisce un guadagno in banda passante di K*5 dB, dalla frequenza 100 Hz fino alla frequenza S*1000 Hz.L’uscita in banda passante deve essere in opposizione di fase rispetto all’ingresso in banda passante.

Se si alimenta il circuito tra – 5 V e + 5 V quanto valgono il range dinamico di ingresso e di uscita?

Esercizio 5

Partendo da celle agli ioni di litio (LiFePO4) con tensione nominale di circa 3.3 V e capacità pari a 1.6 Ah, dimensionare la batteria per un piccolo drone aereo. Tale drone, alimentato a circa 24 V, consuma mediamente 5 W, ma è dotato di un pannello solare (24 V) che fornisce in uscita, se esposto

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al sole, circa 150 mA. Dimensionare la batteria per garantire 24 h di autonomia, considerando per semplicità che il pannello solare fornisca la potenza nominale per le 12 h diurne.

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SISTEMI ELETTRONICI PER AUTOMAZIONE E ROBOTICA a.a. 2016/2017

21/12/2016Prof. Sergio Saponara

Sia N l’ultima cifra della Matricola: XXXXXN, es matricola 478183, N=3

Esercizio 1 6 punti Si consideri uno straingauge tri-assiale, con uscita in tensione (si consideri già inclusa l’elettronica necessaria per convertire la variazione di resistenza in una variazione di tensione), banda [0, N*0.1 kHz], range dinamico di misura [-10-3*ɛ, 10-3*ɛ], sensitività pari a 1 V/ɛ.

1. Disegnare lo schema a blocchi e dimensionare un sistema di acquisizione e digitalizzazione che garantisce un SQNR superiore a K*10 dB. Quanto vale l’errore commesso con la digitalizzazione riportato in Volt? E riportato in ɛ? Se l’elemento di sensing dello straingauge è una resistenza di 1 kΩ, stimare la rumorosità del sensore nella banda di interesse.

2. Quanta memoria (in byte) serve per memorizzare N minuti del segnale acquisito dai 3 assi?Che bit-rate deve avere un canale di comunicazione per trasferire i dati acquisiti se si usa protocollo RS232? Che bit-rate deve avere un canale di comunicazione per trasferire i dati acquisiti se si usa protocollo CAN?

Esercizio 2 8 punti

Progettare un convertitore DC/DC il quale, data una tensione di ingresso Vin = 10 + N, produca una tensione di uscita Vout = 20 + 2*N, per l'alimentazione dell’attuatore di un braccio robotico (nell’esercizio si consideri il carico puramente resistivo). Le specifiche da rispettare per la progettazione sono le seguenti:

Corrente di carico N*0.5 A Frequenza di switching = 200 kHz

(ripple della tensione di uscita/valore nominale) (con corrente media nell’induttore e differenza tra valore di picco della corrente

nell'induttore e valore medio)

1. Calcolare il duty-cycle del segnale di controllo degli switch di potenza. 2. Graficare l'andamento della corrente nell'induttore. 3. Dimensionare i componenti del sistema riportando anche i valori massimi di tensione e corrente che

devono essere in grado di sopportare. 4. Calcolare l'efficienza del sistema considerando interruttori di potenza del tipo transistor + diodo di

ricircolo con Vdiodo = 0.2V, Vsw = 0.3V (caduta di tensione sullo switch, costante in conduzione) Dimensionare il condensatore, in ingresso al sistema, per il filtraggio dei disturbi EMI di tipo conduttivo considerando la seguente specifica: (ripple della tensione in ingresso/valore nominale)

Esercizio 3 4 punti

Un sistema elettronico per automazione haTjmax= 150 oC, Rjc= N*0.09oC /W, Rca=N*15oC/W.

1. Disegnare l’andamento della potenza dissipabile Pd in funzione della Tamb.Come cambia la curva Pd=f(Tamb) se si usa un dissipatore con Rd=Rjc?E se si usa un dissipatore ideale?

2. In presenza del dissipatore nei 2 casi (dissipatore ideale e dissipatore con Rd = Rjc) con Tamb=30 oC che efficienza deve avere il sistema elettronico per fornire potenza utile di N*0.1 kW a un carico?

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Esercizio 4 6 punti

1. Disegnare lo schema circuitale e dimensionare i componenti di un filtro passa banda, con pendenza nelle bande di attenuazione superiore ai 30 dB/decade, e che garantisce un guadagno in banda passante di N*5 dB da una frequenza inferiore pari a N*50 Hz ad una superiore pari a N*5000 Hz. 2. Graficare il modulo della risposta in frequenza del filtro attivo. Determinare il valore del parametro Q. Se si alimenta il circuito tra – 3 V e + 3 V quanto valgono il range dinamico di ingresso e di uscita?Usando degli amplificatori operazionali che prestazioni devono avere in termini di prodotto guadagno-banda? Esercizio 5 6 punti

Avendo a disposizione celle agli ioni di litio (NMC) con tensione nominale 3.3 V e capacità 5000 mAh, progettare una batteria per un drone. Tale drone deve essere alimentato con una tensione nominale di circa 24 V, inoltre, devono essere garantite almeno N ore di autonomia sapendo che esso consuma una potenza media di 100 W. Calcolare inoltre il tempo minimo necessario per ricaricare completamente la batteria avendo a disposizione un caricabatteria con tensione d’uscita di circa 18 V e potenza pari a 500 W. Determinare se è necessario usare convertitori DC/DC e di che tipo (per il dimensionamento considerare componenti ideali: convertitori con efficienza unitaria e moduli batteria con effetti trascurabili della ESR e dell’autoscarica).

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ESEMPI DI ESERCIZI –

SISTEMI ELETTRONICI PER AUTOMAZIONE EROBOTICA

Esercizio A1

Un accelerometro 3-assiale con uscita in tensione ha sui 3 assi PSD= 1 (μg)2/Hz, Banda [0, 1000 Hz], range dinamico [-2 g,+2g]. La sensitività del sensore è 1 mV/g.

Disegnare lo schema a blocchi e dimensionare un sistema di acquisizione e digitalizzazione che garantisce un errore di quantizzazione inferiore allo 0.1%.

Determinare entità del rumore dell’accelerometro nella banda del sistema di acquisizione

Quanta memoria (in byte) serve per memorizzare 1 minuto del segnale acquisito dai 3 assi?

Che data-rate deve avere un canale di comunicazione per trasferire i dati acquisiti se si usa protocollo RS232?

Che data-rate deve avere un canale di comunicazione per trasferire i dati acquisiti se si usa protocollo CAN?

Esercizio A2

Uno straingaugetri-assiale ha sui 3-assi R0=100 Ohm (con ɛ=0), banda 400 Hz, sensitività K=1.8, range dinamico [-10 mɛ, + 10 mɛ ]. Quanto vale il rumore di cui è affetto lo straingauge nella banda di interesse? Disegnare lo schema a blocchi e dimensionare un sistema di acquisizione e digitalizzazione che garantisce un errore di quantizzazione non superiore a 0.1 mɛ.

Quanta memoria (in byte) serve per memorizzare 1 minuto del segnale acquisito dai 3 assi? Con un memoria da 1 Mbyte per quanto tempo posso memorizzare i segnali?

Che data-rate deve avere un canale di comunicazione per trasferire i dati acquisiti se si usa protocollo RS232?

Che data-rate deve avere un canale di comunicazione per trasferire i dati acquisiti se si usa protocollo CAN?

Esercizio A3

Un sensore resistivo di temperatura ha R0=1000 Ohm a 0 C, banda 100 Hz, sensitività pari a 2 Ohm/C. Se la resistenza puo’ variare al massimo del ±20% che range dinamico in temperatura si riesce a coprire? Quanto vale il rumore di cui è affetto il sensore resistivo? Disegnare lo schema a blocchi e dimensionare un sistema di acquisizione e digitalizzazione che garantisce un errore assoluto inferiore a 0.5 C.

Che data-rate deve avere un canale di comunicazione per trasferire i dati acquisiti se si usa protocollo RS232?

Che data-rate deve avere un canale di comunicazione per trasferire i dati acquisiti se si usa protocollo CAN?

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Esercizio B1

Disegnare lo schema circuitale completo, dimensionare i componenti e disegnare l’andamento della corrente nel tempo nei componenti attivi e passivi di un convertitore DC-DC di tipo switchingcon Vin=48 V, Vout=5V, Iout=1 A.

Esercizio B2

Disegnare lo schema circuitale completo e dimensionare i componenti di un convertitore DC-DC di tipo lineare (OPAMP + transistor di potenza) con Vin=48 V, Vout=5V, Iout=1 A.

Quanto vale l’efficienza massima raggiungibile? E la potenza dissipata e la potenza assorbita dall’alimentazione di ingresso?

Esercizio B3

Disegnare lo schema circuitale completo, dimensionare i componenti e disegnare l’andamento della corrente nel tempo nei componenti attivi e passivi di un convertitore Step-down DC-DC con Vin=24 V, Pout=100 W, il carico è un motore elettrico con impedenza ohmico-induttiva che si comporta come un filtro passa basso passivo del 1° ordine con frequenza di taglio di 1 kHz (in continua R=1 Ohm).

Esercizio B4

Ripetere l’esercizio B3 nel caso di un convertitore DC-DC di tipo lineare (OPAMP + transistor di potenza). Quanto vale l’efficienza massima raggiungibile? E la potenza dissipata e la potenza assorbita dall’alimentazione di ingresso?

Esercizio B5

Disegnare lo schema circuitale completo, dimensionare i componenti e disegnare l’andamento della corrente nel tempo nei componenti attivi e passivi di un convertitore DC-DC con Vin=12 V, Vout=24 V, Iout=1 A.

E’ possibile realizzarlo con un convertitore di tipo lineare?

Esercizio B6

Progettare la parte di conversione di un convertitore DC/DC il quale, data una tensione di ingresso di 12V, produca una tensione di uscita di 24V per l'alimentazione di un sistema pneumatico, che può assorbire correnti nel range 1A-10A.Le specifiche da rispettare per la progettazione sono elencate di seguito:

-fs=200kHz

-deltaVo-pp/Vo<=1% (ripple della tensione di uscita/valore nominale)

-deltaIl-pp/Ilm<=20% (variazione della corrente nell'induttore/valore nominale)

1. Calcolare il duty-cycle del segnale che pilota lo switch. 2. Graficare l'andamento della corrente nell'induttore. 3. Dimensionare i componenti del sistema riportando anche i valori massimi di tensione e

corrente che devono essere in grado di sopportare.

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4. Verificare che il sistema sia in modalità di funzionamento continuo. 5. Calcolare l'efficienza del sistema tenendo in considerazione che

-Vdiodo=0,2V -Vsw=0,3V (caduta di tensione sullo switch, costante in conduzione)

6. Considerando le tensioni Vdiodo e Vsw riportate nel punto 5 calcolare il valore "reale" del duty-cycle per ottenere 24V in uscita dal convertitore.

Descrivere dettagliatamente tutti i passaggi e le decisioni prese per la progettazione del convertitore.

Esercizio C1

Un sistema elettronico di potenza è caratterizzato da Tjmax= 150 C, Rjc=1 C/W, Rca=50 C/W. Disegnare l’andamento della potenza dissipabile Pd in funzione della Tamb.

Come cambia la curva Pd=f(Tamb) se si usa un dissipatore con Rd=0.5 C/W?

In presenza del dissipatore e con Tamb=30 C che efficienza deve avere il sistema elettronico per fornire potenza utile di 500 W a un carico?

Esercizio C2

Un sistema di attuazione che fornisce 5 kW a un motore elettrico ha una efficienza del 95%. Se Tjmax=150 C, Tamb= 20 C, Rjc= 1 C/W, Rca= 70 C/W, è possibile lavorare senza dissipatore? In caso negativo che Rd è necessaria? E’ possibile dimensionare il dissipatore? In caso negativo, quali alternative si possono adottare per risolvere il problema?

Esercizio C3

Un sistema di attuazione che fornisce 1 kW a un motore elettrico ha una efficienza del 95%. Se Tjmax=150 C, Rjc= 1 C/W, Rca= 70 C/W, Rd= 0.5 C/W, fino a che temperatura ambientale è possibile lavorare? Graficare l’efficienza minima richiesta in funzione della T ambientale.

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Esercizio D1:

Disegnare lo schema circuitale e dimensionare i componenti di un filtro passa basso che garantisce un guadagno in banda passante di 20 dB fino a 500 Hz ed attenua di almeno 20 dB i segnali dai 5 kHz in su.

L’uscita deve essere in opposizione di fase all’ingresso in banda passante.

Se si alimenta il circuito tra – 5 V e + 5 V quanto valgono il range dinamico di ingresso e di uscita?

Quanto deve valere il prodotto guadagno-banda dell’opamp?

Esercizio D2:

Disegnare lo schema circuitale e dimensionare i componenti di un filtro passa alto che garantisce un guadagno in banda passante di 20 dB dai 500 Hz in su ed attenua di almeno 30 dB i segnali a 50 Hz.

L’uscita deve essere in fase con l’ingresso in banda passante.

Se si alimenta il circuito tra – 10 V e + 10 V quanto valgono il range dinamico di ingresso e di uscita?

Se il prodotto guadagno-banda dell’opamp vale 10 MHz quanto vale il limite di frequenza superiore del filtro?

Esercizio D3:

Si vuole progettare un filtro passa banda con banda passante 1 kHz – 10 kHz, guadagno in banda passante di 40 dB, attenuazione fuori banda di 20 dB/decade.

Disegnare lo schema circuitale e dimensionare i componenti.

Che alimentazione bisogna avere per garantire un range dinamico di ingresso nel range 0-150 mV?

Esercizio D4:

Si vuole progettare un filtro passa basso differenziale del primo ordine con guadagno di 20 dB fino a 10 kHz. Disegnare lo schema circuitale e dimensionare i componenti.

Se si alimenta il circuito tra – 10 V e + 10 V quanto valgono il range dinamico di ingresso e di uscita?

Se il prodotto guadagno-banda dell’opamp vale 10 MHz quanto vale il limite di frequenza superiore del filtro?

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Esercizio E1:

Si richiede di progettare una batteria per alimentare un carrello elevatore avente tensione di uscita nominale dicirca 48 V e che necessita una potenza media di 4 kW per svolgere il suo lavoro. Utilizzando celle agli ioni di litiocon tensione nominale pari a 3.6 V e capacità pari a 100 Ah, dimensionare tale batteria considerando che ilmuletto dovrà svolgere almeno 8h di lavoro senza cariche intermedie. Calcolare la potenza media delcaricabatteria in grado di effettuare una carica completa entro 12 h.

Soluzione:

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Esercizio E2:

Determinare il tempo di utilizzo e di ricarica di una batteria agli ioni di litio formata da 6 moduli connessi inserie e a loro volta costituiti da 8 celle connesse in parallelo. La batteria viene utilizzata in una applicazione checonsuma mediamente 50 W e ricaricata con un caricabatteria da 80W. Le celle utilizzate presentano unatensione nominale pari a 3.3 V e una capacità di 500 mAh.

Soluzione:

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Esercizio E3:

Avendo a disposizione delle celle agli ioni di litio (LiFePO4) con tensione nominale 3.3 V e capacità 10 Ah,progettare una batteria per un robot. Tale robot deve essere alimentato con una tensione nominale di circa42 V, inoltre, devono essere garantite almeno 3 h di autonomia sapendo che esso consuma mediamenteun’energia pari a 1.2 kWh per ogni ora di lavoro. Calcolare inoltre il tempo minimo necessario per ricaricacompletamente la batteria e la potenza richiesta al caricabatteria sapendo che le celle hanno una correntemassima di carica di 3C.

Soluzione:

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Esercizio E4:

Partendo da celle agli ioni di litio (NMC) con tensione nominale di circa 3.6 V e capacità pari a 2 Ah,dimensionare la batteria per un piccolo drone aereo per riprese aeree. Tale drone, alimentato a circa 50 V,consuma mediamente 3 A per rimanere in volo e 0.5 A (da sommare ai primi) durante le acquisizioni delleimmagini. Dimensionare la batteria per garantire 6 h di autonomia se non si riprendere alcuna immagineoppure 5 h di autonomia con 4 h di acquisizione dell’immagine.

Soluzione:

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Esercizio E5:

Avendo a disposizione delle celle agli ioni di litio con tensione nominale di 3.3 V, capacità pari a 5 Ah correntemassima di scarica pari a 2 C; progettare la batteria per un’applicazione con tensione nominale di circa 12 V,che assorbe una potenza media di 600 W e che presenta un’autonomia di almeno 20 min. Avendo adisposizione un caricabatteria (12 V) che fornisce al massimo 200 W calcolare il tempo minimo per effettuareuna ricarica completa della batterie.

Soluzione:

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SISTEMI ELETTRONICI PER AUTOMAZIONE E ROBOTICA a.a. 2017/2018

19/12/2017, 3 ore

K=numero lettere nome del candidato/a, S= numero lettere cognome del candidato/a,

(Es. Rita Bianchi, K=4, S=7)

Esercizio 1 (7 punti)

Un sistema elettronico per misura di vibrazioni è composto da S accelerometri, ognuno con uscita in tensione,ognuno affetto da rumore con PSD=K*1 (µg)2/Hz, Banda [0, S*100 Hz], range dinamico di misura [-K*g, K*g]. La sensitività di ciascun sensore è 0.5 mV/g.

a. Determinare il rumore di cui è affetto ogni sensore nella banda di lavoro.

b. Disegnare lo schema a blocchi e dimensionare un sistema di acquisizione dati e digitalizzazione che garantisce un errore di quantizzazione inferiore a K*0.1%.

c. Quanta memoria (in byte) serve per memorizzare 10 minuti del segnale acquisito dagli S accelerometri?

d. Che banda (bit/s) deve avere un canale di comunicazione digitale per trasferire i dati acquisiti se si usa protocollo RS232?

e. Che banda (bit/s) deve avere un canale di comunicazione digitale per trasferire i dati acquisiti se si usa protocollo CAN?

Esercizio 2 (6 punti)

a. Disegnare lo schema circuitale, completo di anello di controllo, di un convertitore DC-DC Switching.

b. Dimensionare i componenti e disegnare l’andamento nel tempodella corrente nei componenti attivi, e nei componenti passivi (induttanza e capacità) con Vin=S*4 V, Vout=S*1 V, Iout=K*400 mA.

c. Se i componenti usati per realizzare gli switch (transistor e/o diodi), durante la conduzione, hanno una caduta in tensione pari a 0.3 V quanto vale la potenza dissipata? Quanto valgono l’efficienza del convertitore, la potenza fornita al carico, la potenza erogata dalla sorgente in ingresso?

Esercizio 3 (5 punti)

a. Disegnare lo schema circuitale completo di anello di controllo, dimensionare i componenti e disegnare l’andamento della corrente nel tempo nei componenti attivi di un convertitore DC-DC di tipo Lineare, con Vin=S*4 V, Vout=S*1 V, Iout=K*400 mA.

b. Quanto valgono l’efficienza del convertitore, la potenza fornita al carico, la potenza erogata dalla sorgente in ingresso, la potenza dissipata?

Esercizio 4 (5 punti)

Un sistema elettronico di potenza ha Tjmax=150 oC, Rjc=K*0,1 oC /W, Rca=K*10 oC/W.

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a. Disegnare l’andamento della massima potenza Pd che si può dissipare in funzione della Tamb. Come cambia la curva Pd=f(Tamb) se si usa un dissipatore ideale? b. In presenza di un dissipatore con Rd=Rjc e con Tamb=40 oC, che efficienza deve avere il sistema elettronico per fornire potenza utile al carico pari a S*500 W a un carico?

Esercizio 5 (7 punti)

Disegnare lo schema circuitale e dimensionare i componenti di un filtro passa-banda che garantisca un guadagno in banda passante di K*5 dB dalla frequenza 500 Hz alla frequenza S*10 KHz, con attenuazione fuori banda di 20 dB/decade, indipendentemente dalla sorgente e dal carico applicati. In banda passante, l'uscita deve essere in fase con l'ingresso.

Se ne ricavi la risposta in frequenza e se ne disegni il diagramma di Bode del modulo.

Si calcoli la selettività (fattore di qualità) Q di tale filtro.

Che alimentazione bisogna avere per garantire un range dinamico di ingresso (-100 mV, +100 mV)?

Quanto deve valere il prodotto guadagno-banda degli amplificatori operazionali per non alterare il comportamento del filtro in banda passante?

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