ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE STATALE

<<E. Fermi>>

72021 FRANCAVILLA FONTANA (Brindisi)

VIA CAPITANO DI CASTRI

Indirizzi: MECCANICA, ELETTRONICA E TELECOMUNICAZIONI, ELETTROTECNICA E AUTOMAZIONE

ANNO SCOLASTICO 2004/2005

LABORATORIO DI T.D.P.

(Tecnologia, Disegno e Progettazione elettronica)

PROGETTAZIONE E REALIZZAZIONE DI UN VARIATORE DI VELOCITA PWM CON L’AUSILIO DEI PROGRAMMI ORCAD CAPTURE , ORCAD LAYOUT VERSIONE 9.2 E PROGRAMMA MICROCAM DELLA

INFO. TEC . SERVICE.

Data: 30/05/2005 Classe: 5 D/Elettronica

Docente : Ing. DE PAOLIS PIETRO STUDENTI : SARACINO FRACESCO

Docente Tecnico: SANTORO GIUSEPPE PIETRO CINIERI

Assistente Tecnico di laboratorio: MINO PALAZZO

Indice

• Premessa

• Spiegazione dei blocchi

• Progetto di massima

• Organizzazione e temporizzazione delle fasi esecutive

• Apparecchiatura necessaria

• Collaudo

• Risultati Ottenuti

• Conclusioni

Premessa

Il sistema elettronico è costituito da quattro blocchi funzionali:

Ø Generatore di onde triangolari

Ø Partitore di tensione ad uscita variabile

Ø Comparatore di tensione

Ø Un dispositivo di potenza

Il variatore di velocità basato sulla PWM (Pulse Width Modulation) è particolarmente utilizzato per fini didattici perché consente di analizzare i segnali in più punti e di seguirne l’evoluzione

Spiegazione dei Blocchi

L’uscita del generatore di onde triangolari viene comparata da un amplificatore operazionale con una tensione continua che possiamo variare attraverso un partitore a potenziometro. In uscita avremo un’onda quadra modulata in PWM, in cui la durata del livello alto varierà in modo proporzionale rispetto alla durata del livello basso. L’onda quadra sarà utilizzata per pilotare un MOSFE, che a sua volta darà corrente al motore.

Progetto di massima

Il progetto prevede essenzialmente la realizzazione di un variatore di velocità PWM, utilizzando i programmi Orcad Capture, Orcad Layout e Microcam della Info.Tec.Service.

Per realizzare il disegno elettronico si viene ad utilizzare il software Orcad (Versione 9.2). per progettare un’apparecchiatura elettronica è necessario sviluppare il circuito elettronico. Il progetto di questo circuito va suddiviso in tre fasi:

- disegno dello schema elettrico;

- realizzazione di un circuito stampato;

- verifica funzionaria del circuito.

Il pacchetto Orcad è fondamentalmente suddiviso in tre parti di cui noi ne utilizziamo solamente due:

• Orcad-Capture;

• Orcad-Layout;

Orcad-Capture: è un programma che serve per disegnare lo schema elettrico utilizzando una libreria di simboli con i quali vengono rappresentati i vari componenti. La procedura tipica per il disegno dello schema elettrico può essere suddivisa in due fasi:

v Nella prima vengono richiamati dalla libreria i simboli dei componenti necessari e vengono disposti sul foglio di lavoro nelle posizioni più idonee;

v Nella seconda fase vengono effettuati i collegamenti previsti

Figura N° 1

Nella figura N°1 , e riportato il progetto realizzato con Orcad-Capture

Orcad-Layout: nel database creato con il disegno dello schema elettrico sono contenuti sia i simboli dei componenti sia i loro contenitori con le loro dimensioni geometriche esatte. Orcad-Layout consente di modificare lo schema elettrico nel disegno geometrico del circuito e quindi disegnare il layout dei componenti e progettare il circuito stampato.

Figura N° 2

Nella figura N°2 , e riportato il progetto realizzato con Orcad-Layuot

Il programma Microcam della info. Tec. Service e in grado di prendere il file Gerber RS-274D e di trasformarlo in due file successivi :

1) File di scontornatura delle piste in formato Camm-GL I, il quale contiene le istruzioni da inviare tramite la porta parallela alla macchina fresatrice;

2) File di foratura del centro delle piazzole ( da utilizzare con il programma mcdrill.exe) che invia le istruzioni alla macchina fresatrice per la realizzazione dei fori;

Circuito elettrico:

Circuito elettrico LM324 che contiene al suo interno quattro amplificatori operazionali svolge le funzioni di generatore e regolatore del segnale PWM. Gli operazionali U1A e U1D generano onde triangolari con frequenza di circa 400 Hz.

L’operazionale U1C genera una tensione di riferimento di 6 V, che funge da massa virtuale dell’oscillatore. L’operazionale U1B viene utilizzato come comparatore e genera impulsi a grandezza variabile. Il pin 6 riceve una tensione variabile dal partitore formato da R6,POT. e R7. Questa tensione e comparata con la tensione triangolare proveniente dal pin 14. Quando la tensione triangolare è più bassa di quella del partitore, l’operazionale U1B produrrà in uscita una tensione a livello alto; al contrario l’uscita sarà a livello basso. Variando con il potenziometro la tensione al pin 5, si ottiene un aumento della durata degli impulsi in uscita dal comparatore. Le resistenze R6 ed R7 sono scelte in modo che la rotazione del potenziometro coincida con l’intera escursione dal fermo alla massima velocità. Il transistor MOSFET funge da interruttore di potenza, che riceve gli impulsi modulati sul piedino del GATE, che fa scorrere a impulsi la corrente tra i terminali Sourse e Drain. Quando il transistor è in conduzione il terminale del carico viene collegato al polo negativo dell’alimentazione, mentre l’altro terminale è collegato al polo positivo dell’alimentazione. Il LED viene utilizzato per visualizzare tramite la variazione della luminosità la larghezza degli impulsi. Il diodo D1 elimina le tensioni generate dall’induttanza del motore. Il condensatore C3 riduce i disturbi in radio frequenza causati dalla commutazione del transistor.

Organizzazione e temporizzazione delle fasi esecutive:

Tutto il lavoro da eseguire può essere suddiviso nelle seguenti fasi:

- disegno dello schema elettrico su PC utilizzando il programma Orcad Capture versione 9.0;

- sbrogliatura , ovvero disegno delle piste di rame partendo dallo schema elettrico, su PC utilizzando il programma Orcad Layout;

- salvataggio del disegno del circuito stampato con Orcad Layout in un file Gerber RS-274D e scrittura di un file per le aperture;

- utilizzo del programma MicroCam in grado di prendere il file Gerber e trasformarlo in due file successivi, uno di scontornatura delle piste in formato Camm-GL I, il quale contiene le istruzioni da inviare tramite la porta parallela alla macchina fresatrice; un altro di foratura del centro delle piazzole ( da utilizzare con il programma mcdrill.exe) che invia le istruzioni alla macchina fresatrice per la realizzazione dei fori;

- realizzazione della scontornatura inviando i dati direttamente alla macchina fresatrice, mediante il programma MicroCam;

- realizzazione della foratura mediante il programma mcdrill.exe

- saldatura dei componenti prescelti, sulla basetta realizzata con la fresatrice:

- collaudo;

- produzione di documentazione: disegni, relazioni, ecc.

Apparecchiatura necessaria:

N°	Ref.	Q.	DESCRIZIONE
1	U1	1	Amplificatore operazionale LM324
2	R1-R2-R5	3	Resistore a strato 47 KW ± 5% 0.25W
3	R3-R4	2	Resistore a strato 100 KW ± 5%,0.25W
4	R6-R7	2	Resistore a strato 3.9 KW ± 5%,0.25W
5	R8	1	Resistore a strato 1.2 KW ±5%, 0.25W
6	POT	1	Potenziometro lineare 10 KW
7	C1	1	Condensatore non polarizzato 10 nF ceramico 50 V
8	C3	1	Condensatori non polarizzati 100 nF ceramico 50 V
9	Q1	1	Transistor MOSFET IRG4BC205
10	D1	1	Diodo 1N4004
11	LED1	1	LED rosso 5mm
12	HEADER2	3	Connettore a due ingressi
13	Test Point	4	Pin ricavati da un Connettore a pettine
14	-	1	Basetta di rame monofaccia 20X25
15	-	1	Zoccolo per CI 14 pin

Con i componenti in elenco il circuito ha le seguenti caratteristiche:

Ø Tensione di alimentazione 12V

Ø Corrente massima 3 A

Ø Frequenza PWM 400 Hz

Ø Assorbimento a vuoto a 12 V con LED spento 2 mA circa

Collaudo:

Strumenti per il collaudo:

Per il collaudo del circuito ci siamo serviti dei seguenti strumenti:

1. Motorino in corrente continua

2. Generatore di funzione ( a tensione e frequenza variabile)

3. Oscilloscopio

4. Sonde

5. Alimentatore (12V)

6. Alimentatore (2V)

Nel disegno del circuito stampato sono previsti dei pin per facilitare le misure ed i collaudi. Per il collaudo utilizziamo un alimentazione 12V, senza collegare il carico. Ruotando in senso orario e antiorario il potenziometro, si osserva che il LED varia la sua luminosità. Se la luminosità varia questo indica il buon funzionamento del circuito, e pertanto si può collegare il carico (se il LED dovesse restare sempre acceso o sempre spento, occorre controllare visivamente il circuito e scoprire gli errori).

1° Prova:

Utilizzando un oscilloscopio a doppia traccia visualizziamo e confrontiamo le due forme d’onda in uscita da U1A e da U1D. Si noterà un’onda quadra al piedino 1 e un’onda triangolare sul piedino 14. Le due forme d’onda avranno la stessa frequenza in quanto sono generate dallo stesso oscillatore

2° Prova:

Con l’oscilloscopio confrontiamo la tensione in uscita dal piedino centrale del potenziometro (TP3) e l’onda quadra in uscita del comparatore. Si noterà che all’aumentare della tensione su TP3, si avrà un aumento della durata degli impulsi in uscita dal comparatore.

Risultati Ottenuti:

Tp2			Tp3
K [V/div]	Div.	Tens. [V]	K [V/div]	Div.	Vmax
0,1	2,4	0,24	0,5	1,4	0,28
			K [V/div]	Div	Vmin
			0,2	1,4	0,28
Tp4
K [V/div]	Div.	Tens. [V]
2,2	0,5	1.1

Conclusioni:

Dall’esperienza svolta possiamo affermare che attraverso la rotazione del potenziometro il circuito è in grado di variare la velocità del motorino preso in esame.