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1 CARATTERISTICHE DEI DESTINATARI - IIS Mattei

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I. I. S. “MATTEI­ FORTUNATO” EBOLI
Sede Mattei
DIPARTIMENTO DI ELETTRONICA
CURRICOLO VERTICALE
CORSO ELETTROTECNICA ED ELETTRONICA 1) CARATTERISTICHE DEI DESTINATARI L’obiettivo dell’Istituto è di proporre alla propria utenza un curricolo di
studio, da svilupparsi nel nuovo biennio (terzo e quarto anno) e nel successivo
monoennio (quinto anno), che soddisfi la necessità di competenze e
professionalità richieste dall’industria e offra maggiori opportunità di
occupazione agli studenti, sia nelle strutture di progettazione e produzione che
in quelle commerciali. L’ambiente industriale attuale richiede continuamente la presenza di tecnici
qualificati preparati nelle tecnologie più recenti e in grado di affrontare
progetti innovativi e che coprano integralmente tutti gli aspetti relativi
all’evoluzione e all’organizzazione del progetto. Ciò implica la padronanza sia
delle competenze specifiche richieste dagli obiettivi di funzionamento teorici e
realizzativi del prodotto o servizio che delle fasi di pianificazione e di
controllo di tutto il percorso da effettuare, dall’ideazione alla distribuzione,
in modo da raggiungere gli obiettivi programmati. 2) OBIETTIVI FORMATIVI L’obiettivo dell’Istituto è di aprire nuovi orizzonti e di proporre soluzioni
sempre più innovative, per dare agli studenti una speranza nel futuro. Devono essere garantire a tutti la possibilità di raggiungere i livelli di
istruzione più elevati per favorire un sistema di apprendimento continuo che
aggiorni le competenze, sostenga le nuove specializzazioni e divenga strumento
per opportunità occupazionali. Il mondo produttivo si rivolge al sistema scuola
in modo sempre più pressante richiedendo sapere e saper fare. Gli studenti
necessitano e chiedono con forza nella scuola tecnologie e sapere aggiornato. E’
quindi necessario plasmare il corso di studio in modo da formare delle figure
professionali che possano proporsi sul mercato con conoscenze e sapere in linea
con le richieste del mondo industriale. Per raggiungere gli obiettivi formativi prefissati, vengono affrontate le
premesse teoriche dell’elettronica analogica e digitale, delle logiche
programmabili e dei sistemi a microprocessore e microcontrollore, dispositivi ad
elevata diffusione nella tecnologia elettronica attuale.
I dispositivi ad alta scala di integrazione, come i dispositivi programmabili
(ROM, PLA, FPGA...) e i microprocessori e microcontrollori presentano strutture
complesse ed enormi potenzialità applicative che li rendono adatti
all’interazione e al controllo di sistemi elettronici sia attuali che
preesistenti e quindi automaticamente importano elementi di innovazione e
richiedono aggiornamenti tecnologici in altri settori presenti nella realtà
industriale.
Inoltre devono affrontare l’analisi delle funzioni e dei componenti fondamentali
di sistemi elettrici ed elettronici, la differenza tra sistemi digitali ed
analogici, le caratteristiche dei trasduttori / attuatori e dei componenti dei
sistemi automatici, le varie tipologie di sistemi di controllo, i sistemi di
controllo a catena aperta e chiusa, di tipo ON/OFF, analogici, a logica
programmata, a microprocessori e microcontrollori o mediante scheda di
interfaccia I/O collegata al PC . Devono quindi venir integrate conoscenze di elettrotecnica , elettronica,
microprocessori e microcontrollori e PC, che costituiscono l’esigenza di gran
parte delle apparecchiature presenti nell’ambiente dell’automazione industriale
attuale. Per facilitare la comprensione degli strumenti tecnologici sia per quanto
riguarda la loro applicabilità che il loro modo di interfacciamento con gli
altri sistemi, devono essere previste fasi sperimentali (uso dei laboratori) che
consentano di verificare l’apprendimento e la comprensione del loro utilizzo con
il progetto e l’analisi di unità applicative che comprendano circuiti ed
applicazioni reali di tali tecnologie e i loro sistemi di sviluppo per la
programmazione. 3) METODOLOGIE Si intende formare tecnici che operano in ambienti tecnologici innovativi in
grado di rispondere alle esigenze del settore. In tal modo lo studente acquisirà
una esperienza nella gestione di nuovi metodi di lavoro e conoscerà più a fondo
la materia con rinnovate motivazioni e speranze di occupazione. C’è la necessità di organizzare innovazione didattica, strutturale ed
organizzativa dell’istituto per raccordarsi con i sistemi produttivi ed essere
soggetti attivi del processo di sviluppo del proprio territorio.
Inoltre, potenziare e rinnovare le tecnologie e le apparecchiature esistenti,
per fronteggiare la richiesta del mercato.
L’obiettivo dell’utilizzo di apparecchiature didattiche integrative alla
formazione teorica dei tecnici per raggiungere le abilità e le conoscenze
previste è quello di rendere possibile un’attività progettuale che colleghi
tutte le fasi necessarie per sviluppare un progetto complessivo e che permetta
la realizzazione di applicazioni in svariati settori, con competenza sui
materiali e le tecnologie costruttive dei sistemi elettronici ed elettrotecnici.
In particolare, l’obiettivo, attraverso le discipline di “Elettrotecnica ed
elettronica” e di “Tecnologie progettazione di sistemi elettrici ed
elettronici”, è quello di permettere agli allievi di gestire in modo diretto o
mediante valutazione di parametri provenienti da misure reali o da simulazioni
dettagliate, i processi di progettazione ed integrazione industriale dei
circuiti e sistemi maggiormente rappresentativi nell’area dell’elettronica
analogica e digitale e attraverso la disciplina di sistemi, è quello di procede
attraverso l’acquisizione progressiva di conoscenze e metodi che includono i
sensori e trasduttori, il controllo automatico di processo a catena aperta e
chiusa, con interfacciamento tra apparecchiature e Personal Computer . In questo modo gli studenti possono analizzare, risolvere e progettare vari tipi
di controllo di sistemi con sensori ed attuatori mediante circuiti analogici o a
microprocessore / microcontrollore, individuando i metodi adeguati ed
analizzando il comportamento dei sistemi controllati nelle varie condizioni. In base a quanto analizzato, essi devono poter comprendere la tipologia e le
caratteristiche dei sistemi circuitali utilizzati nel controllo di processo e il
loro comportamento in base alla tecnologia utilizzata: analogica, a logica
programmabile, a microprocessore o microcontrollore e schede di I/O collegate al
Personal Computer 4) RISULTATI DA RAGGIUNGERE
Il raggiungimento degli obiettivi finali proposti procede attraverso
l’acquisizione progressiva di conoscenze e metodi che includono i principi
fisici di funzionamento dei componenti elettrici ed elettronici, l’utilizzo dei
segnali e delle loro rappresentazioni, i principi generali e i teoremi delle
reti elettriche, la rappresentazione e sintesi delle funzioni logiche, l’analisi
delle risposte dei circuiti in regime transitorio e permanente, lo studio delle
funzioni di trasferimento e delle loro rappresentazioni. In questo modo gli studenti possono analizzare, risolvere e progettare circuiti
elettrici semplici e complessi, reti combinatorie, sequenziali, sistemi a
logiche programmabili, con microprocessori e microcontrollori, individuando i
metodi adeguati ed analizzando il comportamento dei circuiti nei vari regimi.
Mediante la scelta e la simulazione di modelli diversi di un circuito e le
misure effettive su un prototipo realizzato o su un circuito reale funzionante,
è possibile conoscere e determinare il potere predittivo e i limiti di validità
dei modelli utilizzati in modo da delineare la soluzione migliore anche dal
punto di vista dell’ottimizzazione energetica e della miglior gestione dei
processi produttivi, nel rispetto delle normative nazionali e comunitarie della
sicurezza e della tutela dell’ambiente.
Inoltre far assimilare le tecniche di base ed avanzate che riguardano lo studio
dei sensori e trasduttori, il controllo di processo, le varie metodologie di
realizzazione di tipo analogico, a logica cablata, a microprocessore o
microcontrollore e mediante scheda I/O collegata al PC.
Un ruolo determinante nel raggiungimento degli obbiettivi formativi lo svolge
l’utilizzo del laboratorio che deve far assimilare le tecniche di base ed
avanzate che riguardano circuiti sperimentali analogici lineari e non lineari,
l’elettronica digitale e i microprocessori e microcontrollori con collegamenti
diretti alla realtà applicativa. In particolare gli studenti devono acquisire competenze di progettazione di
sistemi analogici e digitali e mediante l’analisi dei circuiti reali devono
essere in grado di valutare tutti gli aspetti circuitali e funzionali delle
realizzazioni affrontate in modo sperimentale per creare una base di conoscenze
da utilizzare nei progetti reali. Di seguito si riportano i contenuti disciplinari del corso di Elettrotecnica ed Elettronica:
SECONDO BIENNIO Circuiti in Corrente Continua Argomenti trattabili: Elettricità, unità e simboli, forza elettromotrice e differenza di potenziale, effetti della corrente elettrica nel corpo umano, misure di sicurezza Corrente elettrica CC, commutatori e relè, fonti di alimentazione e strumenti di
misura, legge di Ohm, circuiti resistivi serie, parallelo: corrente, tensione e misura della resistenza Le leggi di Kirchhoff, Teorema di Thevenin, Teorema di Norton e principio di sovrapposizione degli effetti Potenza in corrente continua.
Circuiti in Corrente Alternata Argomenti trattabili: Campi magnetici, elettrici ed elettromagnetici Capacità e condensatori, induttanze ed induttori, circuti c.a. resistivi e capacitivi, circuiti induttivi in corrente alternata, tensione e corrente in un’induttanza in regime sinusoidale e calcolo della reattanza di una bobina Circuti RLC, RC, RL e RLC e risonanza serie e parallelo
Potenza e rifasamento di circuiti in corrente alternata
Progettazione di semplici impianti elettrici per ambienti ad uso residenziale:
camera da letto singola e matrimoniale; corridoio; cucina; bagno.
Macchine elettriche
Argomenti trattabili: Macchine elettriche statiche e dinamiche
Macchine elettriche in corrente continua e in corrente alternata
Studio dei Semiconduttori Argomenti trattabili: Semiconduttori: drogaggio dei semiconduttori, portatori di carica maggioritari e
minoritari, la giunzione PN: correnti di diffusione, di campo e barriera di potenziale Giunzione P­N polarizzata direttamente e inversamente, caratteristiche del diodo, raddrizzatori: a presa centrale, a doppia semionda, a ponte di Graetz, filtri di livellamento: filtro capacitivo, induttivo, LC, CLC e CRC effetto valanga, Zener: stabilizzazione di tensione al variare del carico Duplicatore di tensione, circuiti limitatori, circuiti di fissaggio Transistor UJT, il PUT, l’SCR, il DIAC e TRIAC Transistor e loro Polarizzazioni Argomenti trattabili: Transistor NPN e PNP: guadagno statico del transistor, curve caratteristiche, Transistor ad effetto di campo JFET, il MOSFET Depletion / Enhancement Circuito amplificatore con JFET, generatore di corrente costante e circuito amplificatore per piccoli segnali Componenti optoelettronici: fotoresistore, fotodiodo, fototransistors, caratteristica resistenza­luminosità e corrente­luminosità, trasduttori di temperatura Amplificatore e circuito ad emettitore, polarizzazione, zone di funzionamento, polarizzazione con una sola alimentazione e Classi di funzionamento: A, B, C Stabilizzazione del punto di riposo e parametri di stabilità Circuiti Amplificatori di Tensione e di Potenza Argomenti trattabili: Parametri caratteristici per piccoli segnali: definizione e variazione dei parametri “h”, amplificatore ad emettitore comune in funzione dei parametri h, calcolo dei parametri di polarizzazione Misura dell’amplificazione e dell’effetto della capacità di ingresso e delle resistenze d’ingresso e d’uscita Inseguitore di emettitore, amplificatore a doppio carico, accoppiamento RC. Cenni sugli amplificatore in classe A, in classe B, Single­Ended con singola/doppia alimentazione, Push­Pull, a simmetria complementare e in classe C
Amplificatori Operazionali Argomenti trattabili: Parametri caratteristici: amplificazione, tensione di offset, rapporto di reiezione di modo comune, impedenza di ingresso e di uscita, rapidità di risposta nel tempo (slew­rate), larghezza di banda a guadagno unitario Amplificatore invertente, non invertente, sommatore, Sottrattore, Integratore, Derivatore, Comparatore, Logaritmico, Multivibratore Monostabile, Astabile Oscillatore Sinusoidale, Generatore di Forme d’Onda, Convertitore Tensione/Frequenza, Filtro Passa Basso, Passa Alto, Passa Banda Logica Combinatoria e Sequenziale Argomenti trattabili: Parametri tipici delle famiglie logiche, Famiglia logica TTL, sottofamiglie ECL,
Famiglia logica CMOS, CMOS serie HC e HCT, Interfaccia TTL­CMOS e Interfaccia CMOS­TTL Algebra di Boole: classi, proposizioni logiche, postulati e teoremi, funzioni logiche, Circuiti logici combinatori: minimizzazione di una funzione e Mappa di Karnaugh Flip­flops, circuiti sequenziali: R­S, RS con clock, J­K, Master­Slave J­K, D, T, generatore di clock a porte logiche Registri a scorrimento 74LS95, Codificatori e decodificatori: encoder decimale BCD, decodificatore BCD­decimale, Display Driver e display a 7 segmenti: decodifica BCD­7 segmenti, dispositivi di visualizzazione a LED, display a 7 segmenti Sommatori, comparatori e selettori BCD: sommatore binario, collegamento in cascata di sommatori, comparatore a 1 bit, a 4 bit, preselettori BCD Logica Avanzata ed Applicazioni Argomenti trattabili: Multiplexer: applicazioni con SN 74LS1 53, Demultiplexer: applicazioni con SN 74LS1 55 come decodificatori binario­decimale, Contatori asincroni e sincroni BCD modulo 10, (7490) Simulatore Semaforo stradale con contatore 74LS90, Contatore/frequenzimetro: Sistemi di trasmissione/ricezione digitali: codice NRZ con codifica/decodifica Manchester, Bifase e a codice Bifase Codifica/decodifica codice differenziale a 1 bit MICROPROCESSORI Architettura di un microcomputer Argomenti trattabili: Analisi della struttura hardware, Dispositivi di memoria (RAM­EPROM), BUS dati ed indirizzi: interfacciamento, programmazione e monitoraggio dei segnali del BUS. CPU.
Memorie EPROM e RAM ed interfacciamento al μP Interfaccia parallela, seriale, conversione D/A e A/D e comunicazioni con il personal Computer Realizzazione di prototipi su breadboard Argomenti trattabili: Raddrizzatori a singola e doppia semionda, Alimentatori stabilizzati Amplificatori ad accoppiamento R­C con BJT.
Amplificatori operazionali in configurazione: invertente; non invertente; multivibratori, oscillatori, filtri attivi. Regolatori di tensione con UJT, SCR,
DIAC e TRIAC e Generatori di forme d’onda Porte OR­AND­NOR­NAND­NOT e reti logiche sequenziali con flip­flop RS, D, JK, JK
Master Slave e Latch Registri a scorrimento, contatori binari e decadici, decodificatori 7 segmenti, multiplexer e demultiplexer Sistemi, modelli e rappresentazione mediante schemi a blocchi
Argomenti trattabili: Definizione e classificazione di un sistema
Modello di un sistema e sua simulazione.
Rappresentazione e riduzione mediante schemi a blocchi.
Simulazione con Excel
Linguaggi di programmazione
Argomenti trattabili: I diversi tipi di linguaggi di programmazione
Programmazione in linguaggio C
Trasduttori
Argomenti trattabili: Trasduttore di posizione potenziometrico
Trasduttore di posizione con encoder
Trasduttore di prossimità
Trasduttore di luminosità
Trasduttori di temperatura
Trasduttori di livello
Stabilità dei sistemi
Argomenti trattabili: Trasformata di Laplace
Principali proprietà della L­trasformata
Impiego delle tabelle
Scomposizione in fratti semplici
Funzione di trasferimento in s
Risposta di un sistema alle sollecitazioni
Considerazioni sulla stabilità di un sistema
Rappresentazione di una funzione di trasferimento in regime sinusoidale
Diagrammi di Bode e di Nyquist
Criteri di stabilità
Analisi di reti anticipatrice e ritardatrice
PLC per controllo di processo Argomenti trattati: Programmazione base dei PLC nei linguaggi: AWL, KOP, FUP Funzioni di logica combinatoria e sequenziale Indirizzamenti, temporizzatori & contatori, generatori di clock, circuiti monostabili, bistabili Operazioni algebriche: somma, sottrazione, moltiplicazione Conversioni BCD/binario e binario/BCD Tipi di dati base, strutturati, funzioni, blocchi funzione e blocchi dati , ingressi e uscite analogici Conversioni A/D e D/A Regolatori PID digitali: aspetti matematici ed implementazione software Applicazioni PID con : Controllo di Luminosità, di Portata e di Livello, di Temperatura, di Pressione , di Posizione e di Velocità Analisi ed utilizzo del software di supervisione e controllo.
QUINTO ANNO Simulazione di Circuiti analogici e digitali, Argomenti trattabili: Simulazione analogica e digitale
Editore schematico, di equazioni, di segnali di eccitazione, di diagrammi, di componenti, Analisi simbolica, di Fourier, di Spettro, Analisi delle tolleranze,
del rumore Strumenti virtuali: multimetro digitale, generatore di funzioni, generatore di segnali digitali, oscilloscopio con memoria, analizzatore di segnali, altoparlante e analizzatore logico Interfacciamento a PC Argomenti trattabili: Acquisizione di Ingressi Analogici: Gestione di Uscite analogiche: Acquisizione di Ingressi Digitali: Gestione di Uscite Digitali: Interfaccia USB: Studio dei convertitori AD/DA Argomenti trattabili: Conversione analogica/digitale: campionamento, quantizzazione, sample & hold, tempo di conversione, errori, rapporto segnale rumore Convertitore A/D a doppia rampa, A/D ad approssimazioni successive, A/D FLASH e Convertitore D/A MICROCONTROLLORI Studio del μControllore /USB e memorie SD /MMC Argomenti trattabili: USB (Universal Serial Bus) struttura e comunicazione HOSTDEVICE, implementazione
nei microcontrollori. Gestione di I/O analogici e digitali con microcontrollori e interfaccia con Personal Computer mediante linea USB Trasferimenti dati tramite USB di tipo Control, Interrupt, Isochronous e Bulk Studio del μControllore PIC 16F876 Argomenti trattabili: Programmazione di sistemi con microcontrollori PIC 16F876
Strumenti di sviluppo del software: Micro C Architettura interna dell’ PIC 16F876 Porte A, B e C: funzionamento in ingresso e in uscita, struttura hardware delle linee I/O Contatori e timers, interrupt, Timer watchdog, Power off Interfacciamento con il display LCD: linee Enable e Register Select Acquisizione di segnali analogici A/D e Generazione di segnali analogici D/A. Controllo di luminosità Verifica del controllo automatico di luminosità al variare della distanza tra sorgente e trasduttore Risposta del sistema all’introduzione di una sorgente di luminosità (disturbo) ,
capacità del controllore di reagire a variazioni brusche o continue dell’ intensità della sorgente disturbante Controllo di temperatura Argomenti trattati: Trasduttore semiconduttivo di temperatura (PTC) industriale e caratteristiche Termoresistore (NTC) e rilievo della linearità Termoresistenza industriale e rilievo della linearità Termocoppia industriale e rilievo della linearità Studio e taratura dei condizionatori di segnale per PTC, NTC, Termoresistenza, Termocoppia Risposta del processo impiegando un controllore con azioni indipendenti: PID
Controllo di livello Argomenti trattati: Trasduttori di livello: impiego per misure di livello e di pressione e relazione
tra le due misure, linearità del trasduttore di livello Uso del convertitore tensione/frequenza per visualizzare direttamente il valore del livello sul display, uso del convertitore frequenza/tensione per ottenere un segnale analogico proporzionale alla portata, tarature dei condizionatori Progettazione di semplici sistemi con l’utilizzo del PLC
Tecniche di acquisizione e trasmissione dati
Argomenti trattati: Le tecniche e processi di acquisizione dati
Il tele processo e la trasmissione dei dati
Trasmissione in banda base ed in banda traslata
Tematiche di approfondimento da definire anno per anno:
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Progettazione di impianto fotovoltaico
Progettazione di impianto eolico
Progettazione di sistemi automatici con PLC
Progettazione di gestione e controllo di una serra con PLC
Progettazione e programmazione di semplici robot
Progettazione di strumenti elettromedicali
Progettazione di impianto domotico in ambiente residenziale
Progettazione di impianto domotico in ambiente industriale
Il Direttore di Dipartimento
Prof. Venosa Cosmo Damiano
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