Anno Accademico selezionato: 2009/2010

LABORATORIO DI ELETTROTECNICA - INE

LUCHETTA ANTONIO

Obiettivi del corso Conoscenza del funzionamento dei principali dispositivi a semiconduttore. Metodi
di analisi di convertitori a commutazione. Utilizzo dei principali software per
la simulazione circuitale. Principi di funzionamento e criteri di progetto di
convertitori statici AC-DC, DC-DC. Utilizzo delle principali strumentazioni
presenti in un laboratorio di elettrotecnica. Verifica dei requisiti di
sicurezza ed affidabilità di apparati e sistemi elettrici.  
Prerequisiti necessari Conoscenza approfondita dei metodi di analisi circuitale, in particolare variabili
di stato e Laplace. Conoscenze informatiche di base relative a Matlab. 
CapacitÓ acquisite al termine del corso Alla fine del corso lo studente è in grado di progettare e dimensionare i
circuiti elettronici di potenza trattati nel programma, anche per mezzo di
strumenti informatici quali: OrCad, PSpice, Matlab, Sapwin.
Inoltre è in grado di comprendere e adoperare le principali strumentazioni
presenti in un laboratorio di elettrotecnica e impianti elettrici.  
Programma dettagliato
English
INTRODUZIONE AL CORSO. Elementi costitutivi dell'elettronica di potenza. Scopo
dell'elettronica di potenza. Confronto tra elettronica di potenza ed elettronica
lineare. Applicazioni dei convertitori statici di energia. Classificazione dei
convertitori di potenza. Natura interdisciplinare dell'elettronica di potenza.
DISPOSITIVI A SEMICONDUTTORE. Semiconduttori. Forze, campi ed energia.
Conduzione nei metalli. Semiconduttori intrinseci. Semiconduttori estrinseci.
Effetti della temperatura sulle proprietà del silicio. Diffusione.
Semiconduttori a drogaggio graduale. Il diodo a giunzione pn. La giunzione a
circuito aperto. La giunzione pn polarizzata. La caratteristica corrente-
tensione. Dipendenza dalla temperatura della caratteristica I -V. Diodi al
germanio. Il diodo come elemento circuitale. Modelli per grandi segnali.
Applicazioni elementari del diodo. Modelli per piccoli segnali. Tempi di
commutazione del diodo a giunzione. Diodi Zener. Diodi Schottky. Il diodo a
giunzione brusca. Caratteristiche di recupero inverso ( Reverse Recovery). Diodi
di Potenza. Modello del diodo con PSpice. Diodi in serie ed in parallelo.
Transistori bipolari a giunzione. Il generatore ideale controllato in corrente.
Il transistore a giunzione. Il modello di Ebers-Moll del BJT. Le caratteristiche
a base comune (common base, CB). La configurazione a emettitore comune (common
emitter, CE). Modi di funzionamento in interdizione e in saturazione. Modelli in
continua. Il BJT come interruttore. Il BJT come amplificatore. Il BJT come
diodo. Il modello per piccoli segnali del BJT. La coppia differenziale. Limiti
di funzionamento dei transistori (transistor ratings). Transistori a effetto di
campo. Il generatore ideale di corrente controllato in tensione. Il transistore
MOSFET. Caratteristiche corrente-tensione del MOSFET ad arricchimento. Il MOSFET
a svuotamento. Simboli circuitali dei MOSFET. Il transistore a effetto di campo
a giunzione. Caratteristiche corrente-tensione del JFET. La caratteristica di
trasferimento del JFET. Il MESFET. Analisi in continua dei FET. Il MOSFET come
resistenza. Il FET come interruttore. Il FET come amplificatore. Modelli per
piccoli segnali dei FET. Dispositivi CMOS (cenni).

INTERRUTTORI - Interruttori a singolo quadrante. Interruttori a due quandranti
bidirezionali in corrente. Interruttori a due quandranti bidirezionali in
tensione. Interruttori a quattro quadranti. Raddrizzatori sincroni. Perdite
negli interruttori. Commutazione dei transistor senza e con carico RL. Carica di
recupero nei diodi. Capacità ed induttanze di Leakage, Package e Stray nei
dispositivi. Confronto tra rendimento e frequenza di commutazione.

RADDRIZZATORI. I raddrizzatori a diodi. Raddrizzatore Single-phase Half-wave.
Indici di prestazione per un raddrizzatore. Rendimento, THD, DPF e PF.
Raddrizzatore Single-phase Full-wave senza e con carico RL. Raddrizzatore
multifase a stella. Raddrizzatore a ponte trifase senza e con carico RL.
Confronto tra i raddrizzatori a diodi. Progetto di un raddrizzatore a diodi.
Tensione in uscita con filtro LC. Effetti delle induttanze in ingresso ed in
uscita. Raddrizzatore controllato a onda intera senza e con carico RL.
Raddrizzatore controllato trifase a doppio ponte. Ottimizzazione del fattore di
potenza. Controllo dell'angolo di spegnimento. Controllo ad angolo simmetrico.
Controllo PWM. Controllo Single-phase PWM. Raddrizzatori controllati PWM
trifase. Raddrizzatori semi-controllati single-phase senza e con carico RL.
Raddrizzatori semi-controllati trifase senza e con carico RL.Raddrizzatori
controllati single-phase in serie. Raddrizzatori controllati a dodici impulsi.
Progetto dei raddrizzatori controllati. Effetti delle induttanze in ingresso ed
in uscita. Raddrizzatori controllati. Principio di funzionamento dei
convertitori a controllo di fase. Raddrizzatore controllato Single-phase Full-
wave senza e con carico RL. Raddrizzatore controllato Single-phase a doppio
ponte. Principio di funzionamento dei raddrizzatori controllati trifase a
semionda.

CONVERTITORI DC/DC - Principio di funzionamento del chopper Step-down.
Generazione del duty-cycle. Chopper step-down con carico RL. Principio di
funzionamento del chopper step-up. Chopper step-up con carico resistivo. Indici
di prestazione di un convertitore DC/DC. Classificazione dei convertitori.
Convertitori regolati a commutazione. Analisi stazionaria dei convertitori.
Principio di bilanciamento dei volt-secondi nell'induttore. Principio di
bilanciamento degli ampere-secondi nel condensatore. Approssimazione small-
ripple. Convertitore Buck. Convertitore Boost. Convertitore Cuk. Limiti della
conversione a stadio singolo (singlestage). Stima del ripple della tensione in
uscita in convertitori con filtro passa-basso a due poli. Confronto tra
convertitori. Convertitore boost multi-uscita. Equazioni contenenti la corrente
sul condensatore e applicazione del principio di bilanciamento degli ampere-
secondo. Modello circuitale completo. Rendimento. Inserimento della porta di
ingresso nel modello completo. Esempio di applicazione con l'inserimento delle
perdite dei dispositivi a semiconduttore in un boost. Modellizzazione del
circuito equivalente in regime stazionario. Perdite e rendimento di un
convertitore. Il modello del trasformatore in continua. Inserimento delle
perdite nel rame di un induttore. Costruzione del modello equivalente. Equazioni
contenenti la tensione sull'induttore e applicazione del principio di
bilanciamento dei volt-secondo. Manipolazione circuitale. Inversione della
sorgente con il carico. Connessione in cascata di convertitori. Rotazione della
cella di commutazione a tre terminali. Connessione differenziale del carico.
Breve lista di convertitori. Isolamento galvanico.


ESERCITAZIONI DI LABORATORIO

Simulazione al computer dei circuiti elettronici di potenza. Procedimento di
simulazione: simulazione a larghi segnali, simulazione a piccoli segnali,
comportamento del sistema ad anello aperto, studio dei particolari delle
commutazioni. Simulatori orientati all’analisi circuitale (PSPICE). Simulatori
orientati alla risoluzione delle equazioni di funzionamento (MATLAB).Tecniche di
risoluzione nel dominio del tempo. Cenni all'analisi di Fourier. Analisi in
regime distorto. Definizione di RMS in regime distorto. Potenza attiva e potenza
complessa in regime distorto. Power factor. Displacement Power Factor. THD.
Ripple Factor. Transformer Utilization Factor. Crest Factor. Simulazione al
calcolatore di convertitori a commutazione. Analisi di circuiti a diodi mediante
programmi di simulazione.
Effetti della corrente elettrica sul corpo umano. Protezione dai contatti
diretti e indiretti.
Dimensionamento e realizzazione impianti di terra. Protezione dalle
sovracorrenti. Apparecchiature di protezione.
Impianti elettrici: criteri generali per il dimensionamento di base anche con
l'ausilio di software dedicato.
Simulazione di impianti elettrici TT, TN e IT tramite pannello didattico con
misurazione di tensioni di contatto e correnti nel corpo umano. Dimensionamento
di linea elettrica e delle protezioni da sovracorrenti. Verifica della caduta di
tensione.
Misura di sicurezza e funzionali sugli impianti elettrici. Esami a vista e prove
strumentali. Misura di terra con tellurimetro analogico e digitale. Check-up
completo con strumento multifunzione: resistenza anello di guasto; resistenza di
isolamento; prova dei differenziali; resistenza dei conduttori equipotenziali.
Quadri elettrici: modalità realizzative, prove e verifica della conformità.
Esecuzione prove per la verifica della conformità di un quadro: CEI 23-51 e CEI
17-13/1 (ANS).
Realizzazione e montaggio di un trasformatore monofase a mantello. Misura delle
caratteristiche elettriche e determinazione dei parametri fondamentali.
Zelio Logic: relè intelligente low-cost per l'automazione e la telegestione
degli impianti. Esempi pratici e programmazione di base.  

Testi adottati
Per la parte sui Dispositivi a seminconduttori:
J. Millman, A. Grabel, "Microelettronica", 2. ed, McGraw-Hill libri Italia, 965
pag., 1994.
Per tutte le altre parti del programma:
M. Rashid "Elettronica di Potenza:dispositivi e circuiti",Vol.1, III Ed.,
Pearson - Prentice Hall, 448 pp., 2008.
http://hpe.pearson.it/scheda_opera.php?ID=2432¯odestinazioneID=&materiaID=

M. Rashid "Elettronica di Potenza: applicazioni",Vol. 2, III Ed., Pearson -
Prentice Hall, 464 pp., 2008.
http://hpe.pearson.it/scheda_opera.php?ID=2706¯odestinazioneID=&materiaID=

Dispense sulle esercitazioni fornite durante il corso.  

Altro materiale di supporto Dispense e materiale forniti dal docente e scaricabili dal sito ufficiale del
corso:
http://www.pml.unifi.it/CMpro-v-p-37.html
Altri testi per la consultazione:
M. Rashid "Power Electronics: circuits, devices, and applications", III Ed.
Prentice Hall, 912 pp., 2004.

M. Rashid
SPICE for Power Electronics and electric power
1. Edition - 1993
400 pages, Paper
ISBN: 0130304204
Pearson Education

M. Rashid
Introduction to PSpice Using OrCAD for Circuits and Electronics
3. Edition - Oct 2003
480 pages, Paperback
ISBN: 0131019880
Pearson Education

Mohan, Ned / Robbins, William P. / Undeland, Tore M.
Power Electronics
Converters, Applications and Design, Media Enhanced. International Edition
3. Edition - June 2003
824 Pages, Hardcover
ISBN 0-471-42908-2
John Wiley & Sons

R. W. Erickson and D. Maksimovic
Fundamentals of Power Electronics
2. Edition - January 2001
912 pages, Hardcover
ISBN 0-7923-7270-0
Kluwer Academic Publishers  

ModalitÓ didattiche Lezioni frontali con l'ausilio di dispense fornite dai docenti.
Esercitazioni di laboratorio.
Elaborati di progetto da parte degli studenti, assistiti dai docenti. 
ModalitÓ di verifica dell'apprendimento Prove intermedie
Valutazione degli elaborati di progetto anche tramite discussione orale.
Prova scritta.
Colloquio orale.  
Annotazioni Vedere il sito ufficiale del corso:
http://www.pml.unifi.it/CMpro-v-p-37.html  
Course program Course Name:
Electric Circuits Laboratory
Content:
The course gives an introduction to power electronics used in electric drives
and power supplies. Topics discussed are: power electronic systems, overview of
power semiconductor switches, line-commutated ac-dc rectifiers and dc-dc switch-
mode converters.

Table of Contents:
Semiconductor Devices: Basic Semiconductor Physics, Power Diodes, Bipolar
Junction Transistors, Power MOSFETs, Thyristors, Gate Turn-Off Thyristors,
Insulated Gate Bipolar Transistors, Emerging Devices and Circuits.
Overview of Power Semiconductor Switches, Computer Simulation of Power
Electronic Converters and Systems, Generic Power Electronic Circuits, Line-
Frequency Diode Rectifiers: Line-Frequency ac Uncontrolled dc; Line-Frequency
Phase-Controlled Rectifiers and Inverters: Line-Frequency ac - Controlled dc
dc-dc Switch-Mode Converters; Switch-Mode dc-ac Inverters: dc - Sinusoidal ac;
Power Supply Applications; Switching dc Power Supplies; Power Conditioners and
Uninterruptible Power Supplies.
Practical Converter Design Considerations, Snubber Circuits, Gate and Base Drive
Circuits, Component Temperature Control and Heat Sinks, Design of Magnetic
Components.
Introduction to laboratory instrumentation, measurement techniques, and
electrical circuit elements. Laboratory experiments to support the introduction
to DC/DC converters circuit analysis and electric plants. Digital computer
analysis of electrical circuits using such tools as PSPICE. 


Scheda di Valutazione

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