Un po' di elettronica (superiori)

Introduzione

Nella lezione Sistemi a microprocessore abbiamo parlato di Relè, motori passo-passo e servomotori. Ma vediamo nel dettaglio in cosa essi consistono.

Relè e Transistor

1. Bobina, 2. Ancora, 3. Contatto mobile

Circuito di esempio

I Relè sono particolari dispositivi elettrici il cui stato (aperto o chiuso) dipende dall'eccitamento di un elettromagnete. Sono perciò costituiti da un contatto mobile, da un elettromagnete (responsabile del movimento del contatto mobile), e uno o più contatti fissi. Il relè funziona come un vero e proprio interruttore meccanico, che lascia passare corrente in conseguenza all'applicazione di un segnale digitale 1/0 ai suoi capi (1=eccitato; 0=a riposo). I microprocessori o i microcontroller hanno solitamente una corrente in uscita di poche decine di mA, quindi non possono alimentare carichi ad elevata potenza. Un relè collegato ad un μP/μC, risolverà perciò il problema. I relè hanno però delle limitazioni, dovute al fatto che non sono totalmente elettrici, ma hanno anche una parte meccanica. Quindi dall'istante in cui essi vengono alimentati all'istante in cui i due contatti si toccano, trascorre un tempo (seppur molto breve) che non permette il loro utilizzo in campi dove devono essere commutati velocemente, come per il funzionamento di un motore passo passo. In questo caso vengono utilizzati dei particolari dispositivi semiconduttori, i Transistor.

Transistor configurato come relè

I Transistor sono dei componenti elettrici costituiti internamente da un materiale semiconduttore, solitamente silicio, germanio o gallio drogati (=con l'aggiunta di atomi di altri elementi, che ne modificano le proprietà elettroniche). Essi sono collegati al circuito tramite tre terminali (base, collettore ed emettitore) e grazie all'applicazione di una corrente molto bassa alla base, permettono il passaggio di correnti molto più elevate tra il collettore e l'emettitore. Possono essere utilizzati per amplificare un segnale, oppure come interruttori, fungendo da ottima alternativa per i relè. Le differenze tra relè e transistor sono:

• Come già detto, i tempi di commutazione;
• Troppi relè uno vicino all'altro creano interferenze elettromagnetiche, influenzandosi a vicenda;
• I relè hanno una corrente di mantenimento più elevata di quella di un transistor;
• I relè fungono solamente da interruttore ON/OFF, i transistor accettano anche gli stati intermedi;
• I relè sono più robusti dei transistor;
• I relè possono essere alimentati sia a corrente continua che alternata e possono sopportare carichi AC/DC, i transistor solo DC.

Motore passo passo

Funzionamento di un motore passo passo

Il Motore passo passo, chiamato anche Step o Stepper, è un particolare tipo di motore elettrico a corrente continua la cui rotazione completa è suddivisa in tanti piccoli passi. A differenza dei comuni motori a corrente continua, se un motore passo passo viene alimentato, rimarrà semplicemente fermo. Il movimento, invece, è costituito dall'attivazione e disattivazione sequenziale degli avvolgimenti che lo costituiscono. La velocità, quindi, non varierà a seconda della tensione ai suoi capi (come nei motori DC), ma dalla frequenza alla quale gli avvolgimenti sono alimentati in sequenza.

Ma vediamo da cosa è costituito un motore stepper:

Struttura interna motore passo-passo

• Un motore passo passo è costituito da un rotore, che è una sorta di ruota dentata magnetica libera di ruotare sul proprio asse. I denti del rotore sono chiamati "fossette", e possono variare a seconda del modello del motore.
• Esternamente al rotore, vi è lo statore, una struttura fissa costituita da avvolgimenti di rame avvolti su una struttura ferromagnetica per formare le "espansioni polari", le quali sono costituite a loro volta da piccoli denti che si affacciano in corrispondenza delle fossette.

Un'altra peculiarità di questi motori è che la velocità di rotazione del motore passo passo non varia con l'aumentare del carico, ma rimane costante. Se lo sforzo richiesto supera la coppia massima erogata dal motore, esso semplicemente si fermerà. Questo è il motivo per cui trovano largo impiego in campi nei quali la precisione assoluta è la parola d'ordine. Inoltre l'applicazione di una corrente costante agli avvolgimenti provocherà l'immediato arresto del motore, ed è proprio per questo che Sono utilizzati per il movimento delle testine di una stampante, per l'avanzamento della carta, nei vecchi lettori Floppy Disk, nei lettori CD/DVD e negli Hard Disk. Trovano impiego anche in numerosi campi della robotica, ad esempio in macchine CNC che eseguono tagli laser/forature/fresature molto precise, comandate da un computer; oppure nelle stampanti 3D.

Una versione avanzata dei motori passo passo, detti in questo caso motori ibridi, possiede, come rotore, non una bensì una coppia di ruote dentate, con i denti non allineati ma sfalsati di 1/2 dente. Questo permette una maggiore precisione nella rotazione del motore.

Servomotore

I servomotori sono dei particolari tipi di attuatori costituiti da un motore DC in corrente continua, una serie di ingranaggi, una scheda di controllo e un sensore. Essi consentono un controllo preciso nella posizione angolare/lineare, della velocità e dell'accelerazione. Per il loro funzionamento è richiesto un controller molto sofisticato. Si presentano come piccoli contenitori dai quali fuoriesce un perno in grado di ruotare con un angolo compreso tra 0° e 180°. La rotazione avviene grazie al motore a corrente continua all'interno di essi, e la coppia di mantenimento e in fase di rotazione è aumentata notevolmente dal sistema di ingranaggi. La posizione del perno è stabilita da un potenziometro, una particolare componente elettronico che aumenta/diminuisce la sua resistenza interna a seconda della posizione del perno. Così, grazie alla scheda di controllo, si riuscirà ad avere un "feedback" in tempo reale della posizione del rotore. Ma vediamo ora le principali differenze tra i motori passo passo e i servomotori:

• I servomotori consumano corrente per ruotare, ma raggiunta la posizione prestabilita si fermano e utilizzano la coppia di mantenimento per arrestarsi. I motori passo passo, invece, continuano a consumare potenza per rimanere nella posizione;
• Gli Stepper, non avendo un feedback diretto, necessitano di un controller che stabilisca la posizione iniziale e finale al primo loro avvio per stabilisca la rotazione compiuta ad ogni impulso. Lo si può osservare, per esempio, nelle testine di stampa di una stampante, che durante l'accensione raggiungono il punto di arrivo ed eseguono questo calcolo. I servomotori, tuttavia, conoscono in tempo reale la loro posizione;
• Sotto un carico pesante, è possibile che i motori passo-passo saltino degli step. Si avrà perciò un posizionamento scorretto del carico da controllare. Per risolvere il problema sono necessari motori Stepper più potenti, che sono anche più costosi. I servomotori, però, non hanno questo problema, grazie al feedback.