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: 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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