Elettrotecnica ed elettronica a bordo. Per gli Ist. tecnici nautici - Michelangelo Flaccavento, Francesco Dell’Acqua [2014, PDF]

Contents

Parte I - Elementi di elettrotecnica
1 Elettricità e magnetismo
1.1 Teoria atomica della materia - Gli atomi ….…….……………. 3
1.2 Elettrostatica ..…………………………………………………. 4
1.2.1 Induzione elettrostatica - Il campo elettrico …..….…….. 4
1.2.2 Il potenziale elettrico ……..…………………………….. 7
1.2.3 Corpi isolanti e conduttori …..…………………………. 7
1.2.4 Il condensatore elettrico ……………………..…………. 8
1.3 La corrente elettrica .………………………………………….. 11
1.3.1 Definizione di corrente elettrica e sua misurazione ……. 11
1.3.2 Corrente elettrica continua e alternata …………………. 13
1.3.3 Potenza elettrica .……………………………………….. 14
1.3.4 La resistenza elettrica - I resistori ……………………… 15
1.4 Il magnetismo e le sue leggi ..…………………………………. 17
1.4.1 I fenomeni di magnetismo ……………………………… 17
1.4.2 Il magnetismo terrestre ………………………………… 20
1.4.3 Il magnetismo di bordo …..…………………………….. 21
1.5 Elettromagnetismo ……………………………………………. 21
1.5.1 Il fenomeno dell’elettromagnetismo …………………… 21
1.5.2 Flusso concatenato con una spira - Solenoide …………. 23
1.5.3 Intensità del campo magnetico .………………………… 24
1.5.4 Azioni elettrodinamiche .……………………………….. 24
1.6 La magnetizzazione dei corpi ………………………..……….. 27
1.6.1 Induzione e permeabilità magnetica …………………… 27
1.6.2 Magnetizzazione e smagnetizzazione .…………………. 28
1.6.3 Saturazione e isteresi - Il magnetismo residuo ..……….. 29
1.7 Induzione elettromagnetica ..……………….…………………. 31
1.7.1 Principio fisico - Flusso concatenato …….…………….. 31INDICE
1.7.2 La corrente indotta - Legge di Faraday-Neumann ..…… 32
1.7.3 Mutua induzione ……………………….………………. 33
1.7.4 Autoinduzione - Induttanza ……….…………………… 33
Domande a risposta multipla ………………………………………… 35
2 I circuiti elettrici
2.1 Circuito elettrico: nodi, rami, maglie…………………….……. 37
2.1.1 I bipoli - Convenzioni di segno ………………………… 37
2.1.2 Rete elettrica ……………....…………………………… 38
2.1.3 Studio delle reti in regime stazionario …………………. 39
2.2 Circuiti elettrici in regime variabile .………………………….. 41
2.2.1 Definizioni e simbologia adottata ……………………… 41
2.2.2 La tensione alternata sinusoidale ...…………………….. 42
2.2.3 Effetti della tensione alternata sui principali bipoli .…… 44
2.3 Sistemi polifase ……….………………………………………. 49
2.3.1 La connessione bifase ...…………….………………….. 49
2.3.2 La connessione trifase .…………………………………. 51
2.3.3 Collegamenti a stella e a triangolo …………………….. 54
Domande a risposta multipla ………………………………………… 57
3 Le macchine elettriche
3.1 Classificazione e impiego …………………….............………. 59
3.2 Principi di funzionamento .…………….……………………… 59
3.3 Il trasformatore ..……………………………………………… 63
3.3.1 Teoria del trasformatore .….……………………………. 63
3.3.2 Il trasformatore trifase ………………………………….. 64
3.3.3 Tecnologia del trasformatore ….……………………….. 65
3.4 Le macchine elettriche asincrone……………………………… 67
3.4.1 Motore asincrono trifase ….……………………………. 67
3.4.2 Motore asincrono monofase .…………..……………….. 68
3.4.3 Tecnologia della macchina ………………….………….. 69
3.5 Le macchine elettriche sincrone ……………………………… 70
3.5.1 Generatore sincrono trifase…………………………...… 70
3.5.2 Sistemi di eccitazione ………………………………….. 71
3.5.3 Funzionamento della macchina ………………………… 72
3.6 Le macchine elettriche a corrente continua ..…………………. 74
3.6.1 Principio di funzionamento - Eccitazione ……….…….. 74
3.6.2 Generatori di corrente continua - Dinamo .……..……… 75
3.6.3 Motori a corrente continua ………….…………………. 77
3.6.4 Tecnologia della macchina …………………………….. 79
Domande a risposta multipla ………………………………………… 80INDICE
4 L’impianto elettrico della nave
4.1 I sistemi di alimentazione elettrica delle navi ...………………. 81
4.1.1 Tipi di impianti - I carichi elettrici di bordo ..………….. 81
4.1.2 Struttura della rete - Valori standard di tensione .……… 82
4.1.3 Il fabbisogno elettrico - Grado di elettrificazione ...……. 84
4.1.4 Requisiti dell’impianto elettrico ……………………….. 85
4.2 La distribuzione elettrica a bordo delle navi ………………….. 86
4.2.1 Sistemi di distribuzione - Quadri e sottoquadri ..………. 86
4.2.2 Distribuzione in corrente continua …………….……….. 89
4.2.3 Distribuzione in corrente alternata ..……………..…….. 91
4.2.4 Distribuzione mista ....…………………………………. 92
4.3 La generazione elettrica a bordo delle navi ………..………….. 93
4.3.1 La generazione elettrica - Forme costruttive .....……….. 93
4.3.2 Generazione in corrente continua ...…….……………… 94
4.3.3 Generazione in corrente alternata ..……….……………. 96
4.3.4 Generazione elettrica di emergenza ..…….…………….. 97
4.4 I componenti di un impianto elettrico …...........………………. 98
4.4.1 Cablaggi - Cavi elettrici ..………..............…………….. 98
4.4.2 Sezionatori - Connettori ….…………………………….. 101
4.4.3 Interruttori, interruttori automatici e fusibili ….……….. 102
4.4.4 Motori elettrici ..………………………………………... 105
4.4.5 Elettromartinetti ……………..…………………………. 106
4.5 La propulsione elettrica della nave …………………………… 107
4.5.1 Propulsione in corrente continua ……………………….. 108
4.5.2 Propulsione in corrente alternata ………………………. 109
4.6 La protezione contro i fulmini ………………………………… 109
Domande a risposta multipla ………………………………………… 110
Parte II - Elettronica e telecomunicazioni
5 Principi di elettronica
5.1 Oggetto e scopo dell’elettronica ..………..………..…………. 115
5.1.1 L’elettronica analogica ..……………………………… 116
5.1.2 L’elettronica digitale ..…………………………………. 117
5.2 Comunicazione fra dispositivi analogici e digitali ……………. 118
5.3 Componenti elettronici - I tubi elettronici .…..……………….. 119INDICE
5.3.1 Effetto termoelettronico ..………………………………. 119
5.3.2 Il diodo a vuoto ………………………………………… 119
5.3.3 Il triodo ..……………………………………………….. 121
5.3.4 Il tubo a raggi catodici ………………………………….. 123
5.4 Componenti elettronici - I semiconduttori…………………….. 125
5.4.1 La conduzione elettronica ………………………….…. 125
5.4.2 Drogaggio ……….………………….…………………. 127
5.4.3 La giunzione PN ………………………………………. 129
5.4.4 Il diodo - Polarizzazione diretta e inversa .…….………. 130
5.4.5 Caratteristica volt-amperometrica del diodo …………… 132
5.4.6 Il transistor BJT - Effetto delle polarizzazioni ………… 134
5.4.7 Curve caratteristiche del transistor ………..……………. 136
5.5 Componenti elettronici - La cellula fotoelettronica ..………… 137
5.6 Componenti elettronici - Lo schermo a cristalli liquidi ………. 138
5.7 Tecnologia dei circuiti elettronici …….………………………. 139
Domande a risposta multipla ………………………………………… 140
6 L’elettronica analogica
6.1 Introduzione all’elettronica analogica ……………..…………. 141
6.2 Le armoniche di una funzione periodica ……………………… 141
6.3 Raddrizzamento di una tensione alternata ..……..……………. 143
6.3.1 Raddrizzatore a semionda ..…………………………….. 144
6.3.2 Raddrizzatore a onda intera ..…………..………………. 146
6.4 Convertitori D.C.–A.C. - Inverter...…………………………… 149
6.5 I filtri ………………………………….………………………. 151
6.5.1 Circuiti filtranti - Classificazione ..…………………….. 151
6.5.2 I filtri semplici ..………………………………………… 152
6.5.3 I filtri composti ..……………………….………………. 155
6.5.4 I filtri di spianamento ..…………………………………. 156
6.6 Circuiti oscillanti .………………………………………………. 158
6.6.1 Oscillazioni persistenti……….…………………………. 158
6.6.2 Oscillazioni smorzate ..…………………………………. 162
6.6.3 Oscillazioni forzate ..…..……………………………….. 163
6.7 Circuiti risonanti ………………………………………………. 166
6.7.1 Risonatori ideali ..………………………………………. 166
6.7.2 Risonatori reali .………………………………………… 167
6.8 L’amplificazione …………………..………………………….. 168
6.8.1 Concetti generali sull’amplificazione di un segnale ...…. 168
6.8.2 Fattore di amplificazione .……………..……………….. 170
6.8.3 Distorsione ……………………….…………………….. 171
Domande a risposta multipla ………………………………………… 173INDICE
7 L’elettronica digitale
7.1 Introduzione all’elettronica digitale ………………..…………. 175
7.2 La matematica binaria ………..……………………………….. 175
7.3 Codifica dell’informazione ..…………………………………. 177
7.3.1 Codifica dei testi - Il codice ASCII .…….…………....… 178
7.3.2 Codifica dei numeri…..……….………………………… 179
7.3.3 Codifica delle immagini ..……….……………………… 179
7.3.4 Codifica dei suoni ..….………………………………….. 180
7.4 Algebra di Boole e circuiti logici .…………………………….. 182
7.4.1 Operatori logici ………………….……………………… 182
7.4.2 Porte logiche .…………………………………………… 184
7.4.3 Circuiti logici integrati ...……………………………….. 187
7.4.4 Le memorie …………………………………………….. 188
7.5 L’elaboratore elettronico - Il PLC ………….…………………. 188
7.5.1 Nomenclatura e classificazione .…….………………….. 188
7.5.2 Architettura del PLC …………………………………… 190
7.5.3 Funzionamento del PLC ……………………………….. 191
7.6 La programmazione del calcolatore ..…………………………. 191
7.6.1 Gli algoritmi e le procedure ....…………………………. 191
7.6.2 Il linguaggio del calcolatore ..………………………….. 192
7.6.3 Il linguaggio di programmazione .………..…………….. 193
7.7 I computer di bordo ..………………………………………….. 193
Domande a risposta multipla ………………………………………… 195
8 Elementi di telecomunicazioni
8.1 Richiami sui fenomeni oscillatori ………..………..…………. 197
8.1.1 Oscillazioni meccaniche ……………….……………….. 197
8.1.2 Oscillazioni sonore ..…………………..……………….. 200
8.1.3 Oscillazioni elettromagnetiche ...………..……………… 201
8.1.4 Classificazione delle onde elettromagnetiche ..………… 203
8.2 Propagazione delle onde elettromagnetiche ………………….. 204
8.2.1 L’atmosfera ..…………………………………………… 204
8.2.2 Tipi di propagazione ..………………………………….. 206
8.2.3 Onde terrestri ..…………………………………………. 207
8.2.4 Onde spaziali ..…………………………………………. 208
8.2.5 Caratteristiche di propagazione ...………………………. 208
8.3 Antenne e loro caratteristiche .…………………..……………. 209
8.3.1 Principio di funzionamento dell’antenna ....……………. 210
8.3.2 Diagramma di radiazione……………………………….. 212
8.3.3 Dipoli hertziani ..………………….……………………. 213INDICE
8.3.4 Antenne direttive - Il riflettore parabolico ...…………… 216
8.3.5 Antenna a telaio e antenna di senso ..…….…………….. 217
8.3.6 Potenza irradiata da una antenna ……………………….. 219
8.4 Le telecomunicazioni via cavo .……….………………………. 220
8.4.1 Principi generali delle telecomunicazioni ...……….…… 220
8.4.2 Telegrafia ..………………..……………………………. 221
8.4.3 Telefonia ..……………………………………………… 222
8.5 La radiotrasmissione …………………………………………. 224
8.5.1 Principi fondamentali ..………………………………… 224
8.5.2 Modulazione delle grandezze sinusoidali ..…………….. 227
8.5.3 Radiotrasmettitore …………………………..…………. 228
8.5.4 Radioricevitore - Rivelazione e sintonia ………………. 230
8.5.5 Stadio amplificatore…………………………………….. 233
8.5.6 Gli apparati di impiego nautico .…..……………………. 233
8.6 Multiplexing ………………………………………………….. 235
8.6.1 Multiplexing per divisione di frequenza ..……………… 236
8.6.2 Multiplexing per divisione di tempo ..………………….. 237
8.6.3 Doppio multiplexing ..………………………………….. 237
Domande a risposta multipla ………………………………………… 239
9 Radartecnica
9.1 Principio di funzionamento del radar .………………….………. 241
9.2 Caratteristiche e classificazione dei radar …..………………… 243
9.2.1 Caratteristiche funzionali..……………………………… 244
9.2.2 Caratteristiche di trasmissione .………………………… 244
9.2.3 Frequenza operativa ..………………………………….. 245
9.2.4 Tipo di installazione ...…………………………………. 246
9.3 Componenti di un radar ……………………………………….. 247
9.4 Impieghi del radar …….………………………….…………… 252
9.4.1 Il radar di terra ..………………..………………………. 252
9.4.2 Il radar imbarcato……………………………………….. 253
9.4.3 Il radar meteorologico ..…….………………………….. 253
9.5 Apparato sonar………………………………………………… 254
9.5.1 Principi generali………………………………………… 254
9.5.2 Modi di funzionamento ..……………………………….. 255
Domande a risposta multipla ………………………………………… 257INDICE
Parte III - Sistemi di navigazione
10 L’elettronica a bordo delle navi
10.1 Cenni storici .………………………………………………….. 261
10.2 Le reti elettroniche ………..………………………….……..… 262
10.5.1 Generalità sulle reti elettroniche …...………………… 262
10.5.2 La tecnologia BUS …………………..……………….. 263
10.5.3 Tecniche di allocazione ………………………………. 266
10.5.4 Tecniche di accesso ……………………..……………. 267
10.3 L’elettronica modulare ……….……………………………… 268
10.4 Compatibilità elettromagnetica ……….……………………… 269
10.5 Le scariche elettrostatiche ……………………….……………. 271
Domande a risposta multipla ………………………………………… 272
11 Identificazione - Il radar secondario
11.1 Principi generali ...……………………………………….……. 273
11.2 Il sistema radar secondario e il trasponditore …………………. 275
11.2.1 Apparato di terra .……………………………………… 275
11.2.2 Apparato di bordo …………………………………….. 276
11.2.3 Requisiti del sistema ………………………………….. 276
11.3 Codici di interrogazione e risposta ……………………………. 278
11.4 L’impianto IFF .……………………………….……………….. 278
Domande a risposta multipla ………………………………………… 280
12 La navigazione radioassistita
12.1 Navigare - Radioassistenza alla navigazione …………………. 281
12.1.1 Tipi di navigazione ……………………………………. 281
12.1.2 Rotte di navigazione .………………………………….. 282
12.1.3 Definizioni e concetti base di radionavigazione ……… 283
12.2 Il radiogoniometro (ADF) .…...……………………………….. 285
12.2.1 Antenna telaio e antenna di senso ……………………. 285
12.2.2 Principio di funzionamento……………………………. 286
12.2.3 Costituzione dello strumento e sua installazione……… 287
12.3 Il VOR-DME …………………………………………………. 288
12.3.1 Principio di funzionamento del VOR …………………. 288
12.3.2 Attrezzature a terra e a bordo della nave ..…………….. 289
12.3.3 Principio di funzionamento del DME ………………… 290
12.4 Il TACAN ..……………………………………………………. 291
12.5 Navigazione iperbolica ………………………………………. 294INDICE
12.5.1 Principio di funzionamento …………………………… 294
12.5.2 Il sistema LORAN ..…………………………………… 295
12.5.3 Il sistema DECCA .…………………………………… 297
12.5.4 Altri sistemi …………………………………………… 297
12.6 Navigazione satellitare .……………………………………….. 297
12.6.1 Principio di funzionamento …………………………… 298
12.6.2 Realizzazione pratica ....……………………………….. 302
12.6.3 Moderni sistemi di navigazione satellitare ..………….. 303
Domande a risposta multipla ………………………………………… 305
13 La navigazione autonoma
13.1 Principio di funzionamento..………………..…………………. 307
13.2 Il giroscopio ..………………………………………………….. 308
13.2.1 Costituzione e funzionamento ………………………… 308
13.2.2 Le proprietà del giroscopio …………………………… 309
13.3 Gli accelerometri ..…………………………………………….. 310
13.4 Navigazione inerziale …………………………………………. 311
13.4.1 Principio di funzionamento …………………………… 311
13.4.2 Componenti principali del sistema …………………… 312
13.5 Navigazione Doppler …………………………………………. 313
13.5.1 Effetto Doppler ……………………………………….. 314
13.5.2 Misura della velocità della nave ……………………… 314
13.5.3 Unità elettronica .……………………………………… 315
13.6 I sistemi ibridi .………………………………………………… 316
Domande a risposta multipla ………………………………………… 318
Parte IV - Elementi di automazione
14 Cibernetica - Teoria dell’informazione
14.1 La ricerca cibernetica …………………………………………. 321
14.1.1 Origini e significato ………………………………….. 321
14.1.2 Il modello cibernetico ………………………………… 322
14.1.3 Gli elementi della cibernetica ………………………… 323
14.2 La retroazione ………………………………………………… 324
14.2.1 La retroazione negativa ……………….………………. 325
14.2.2 La retroazione positiva ……………….………………. 326INDICE
14.2.3 La retroazione integrale - I sistemi viventi .………..…. 327
14.3 Teoria dell’informazione ……………………………………… 327
14.3.1 La trasmissione del messaggio ..………………………. 327
14.3.2 Codifica del messaggio ……………………………….. 329
14.3.3 Trasmissione in presenza di rumore ………………….. 329
14.4 Le macchine pensanti …………………………………………. 330
14.4.1 I cervelli elettronici …….…………………………….. 330
14.4.2 L’intelligenza artificiale ……………………………… 331
14.4.3 La robotica ……………………………………………. 332
Domande a risposta multipla ………………………………………… 334
15 Trasmissione delle informazioni - I trasduttori
15.1 Trasduttori di grandezze ………………………………………. 335
15.2 Trasduttori di tipo passivo .……………………………………. 336
15.2.1 Potenziometri …………………………………………. 336
15.2.2 Estensimetri (strain gauges) ..…………………………. 337
15.2.3 Termoresistenze ……………………………………….. 340
15.2.4 Condensatori variabili - Capacimetri .……..………….. 341
15.2.5 Trasduttori ad induttanza ..…………………………….. 343
15.2.6 Trasformatore ad accoppiamento variabile …………… 344
15.3 Trasduttori di tipo attivo ………………………………………. 345
15.3.1 Rivelatori di tipo elettromagnetico ……………………. 345
15.3.2 Quarzo piezoelettrico .………………………………… 346
15.3.3 Coppia termoelettrica ..……….…..…………………… 347
15.3.4 Cellula fotoelettrica ..………………………………….. 348
15.4 Risposta dei trasduttori - Funzione di trasferimento ..………… 348
Domande a risposta multipla ………………………………………… 352
16 Principi di automazione e tecniche di controllo
16.1 Automazione e controllo - Previsione ..…….…………………. 353
16.2 I sistemi di controllo automatico .…..…………………………. 354
16.2.1 Sistemi di regolazione ………………………………… 354
16.2.2 Sistemi lineari del primo ordine ………………………. 357
16.2.3 Sistemi lineari del secondo ordine …….……………… 360
16.3 La controreazione ……….…………………….……………… 362
16.4 La risposta dei sistemi regolati ..………………………………. 363
Domande a risposta multipla ………………………………………… 366
17 L’automazione e le sue applicazioni
17.1 Le applicazioni dell’automazione ………….………………… 367
17.2 L’automazione nell’industria……………………..…………… 368INDICE
17.2.1 Processi automatici …………………………………… 368
17.2.2 L’automazione nelle macchine utensili ………………. 369
17.2.3 La fabbrica automatizzata …………………………….. 371
17.3 L’automazione nella conduzione del mezzo navale ……..…… 372
17.3.1 Sistemi semiautomatizzati ..…………………………… 372
17.3.2 Automazione degli apparati motore Diesel .……..……. 373
17.3.3 Automazione degli apparati motore a turbina ………… 374
17.3.4 Automazione della centrale elettrica ………………….. 375
17.3.5 L’autopilota .………..…………………………………. 375
17.3.6 L’interfaccia uomo-macchina ………………………… 376
17.4 I mezzi di locomozione senza pilota ………………………….. 379
17.4.1 I velivoli senza pilota …………….…………………… 379
17.4.2 Le vetture senza guidatore a bordo …………………… 380
17.5 Processi automatici di gestione del mezzo ………….………… 381
Domande a risposta multipla ………………………………………… 383
Soluzioni alle domande a risposta multipla…………………