Parte 1

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Elettro
pneumatica
pratica
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1.1NTRODUZ IO N E BREVE STORIA
CONSEGUENZA DI UN SISTEMA IBRIDO
• Aspetto economico
• Aspetto tecnico
C!)SMC Italia
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Introduzione
INTRODUZIONE
BREVE STORIA
Esiste un considerevole lasso di tempo tra l'introduzione della pneumatica negli Stati Uniti d'America
e l'Europa.
La pneumatica era già stata usata negli USA su vasta scala prima e durante l'ultimo conflitto mondiale.
Il tipo più diffuso di valvola di comando direzionale era la valvola a spola con azionamento
elettromagnetico diretto. Un successivo miglioramento portò alla creazione della valvola a cassetto piano.
azionata da uno scarico di aria pilota attraverso piccole elettrovalvole 212. In entrambi i casi il controllo era
elettrico, con circuiti a relé . Dato che gli elettricisti esistevano dappertutto, non ci fu nessun problema a
costruire dei posti di controllo. e visto che l'affidabilità era decisamente alta, nessuno si preoccupò di fare
in altro modo.
In Europa, il successo della pneumatica awenne dopo la Seconda Guerra Mondiale, in un momento
in cui tutta l'industria doveva essere ricostruita e vi era scarsità di soldi e di manodopera specializzata. Non
esisteva neanche la tecnologia necessaria a produrre le valvole senza guarnizione, che erano già in uso
negli USA da prima della guerra. Questa è la ragione per la quale la produzione della pneumat1ca ebbe
inizio con mezzi semplici basati soprattutto sulla valvola a fungo. Dato che la valvola a fungo può essere
azionata soltanto da un pistone pneumatico che ~i oppone ad una forza di lavoro elevata, i controlli
pneumatici hanno rappresentato il naturale sviluppo. C'era anche un'altra ragione per tutto ciò: le
elettrovalvole erano state considerate, giustamente, non affidabili. Per impedire una debole interfaccia tra
controllo elettrico e potenza pneumatica. in Europa i controlli puramente pneumatici sono stati sviluppati
e portati a dei livelli molto alti.
Negli anni '60, una nuova tecnologia proveniente dagli USA scosse il mondo industriale: la Fluidica,
la scienza che si occupa della commutazione statica pneumatica (senza parti in movimento). Ci sono stati
due principi, uno basato -sul fenomeno dell'effetto Coanda (attaccamento alla parete), e l'altro sugli
amplificatori di turbolenza, nel passaggio dal flusso laminare al flusso turbolento . Entrambi scomparvero
altrettanto silenziosamente di come erano apparsi, senza lasciare alcuna traccia nel mondo industriale.
La ragione fondamentale di questo fallimento è che in quel periodo il costo tlei controlli elettronici
incominciò a diminuire notevolmente e non c'era più l'opportunità di fare le cose meno costose o migliori.
Un'attra ragione era la totale mancanza di componenti periferici e della conoscenza tecnica necessaria
a costruire in modo efficiente controlli fluidici.
Oggi, le elettrovalvole sono estremamente affidabili e durevoli nel tempo. l controlli elettronici non
devono essere più progettati e costruiti per ogni prog etto; sono componenti standard, programmabili ed
estendibili per soddisfare qualsiasi tipo di applicazione.
Sia i controlli a relé che i controlli pneumatici continuano ad essere usati anche se in maniera saltuaria.
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1.1
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Questi due tipi di controllo possono offrire delle soluzioni relativamente economiche laddove il circuito
richieda soltanto un certo numero di elementi. Nei paesi con clima tropicale, per esempio, l'alta
temperatura e il tasso di umidità possono danneggiare i circuiti elettronici; la rugiada che bagna i circuiti
stampati può provocare il corto circuito dei conduttori sul circuito stampato, rendendo il controllo
inaffidabile o perfino distruggendolo se non ci sono le adeguate misure di protezione. In questi casi,
l'elevato costo del controllo pneumatico è giustificato. Anche la mancanza di specialisti può essere una
ragione valida per adottare i controlli a relé o pneumatici, in quanto avendo delle parti che si muovono, sono
più facilmente comprensibili da meccanici specializzati che non l'elettronica.
Tutti gli esercizi che riportiamo in questo manuale, vengono effettuati con relé, non perché pensiamo
che questo tipo di controllo sia di grande importanza oggi, ma perché costruire dei circuiti a relé operativi
è un eccellente esercizio per una migliore comprensione dei circuiti elettrici. Per tutti coloro che non hanno
un valido background elettrico, questo esercizio aiuta a capire l'essenza dei collegamenti elettrici, una
prerogativa per poter lavorare ed installare i moderni controllori elettronici, scopo finale del nostro corso
sui "controlli elettronici".
CONSEGUENZA DI UN SISTEMA IBRIDO
ASPETTO ECONOMICO
l sistemi elettropneumatici vengono considerati ibridi, in quanto fusione di due diverse tecnologie.
Questo comporta alcune conseguenze, che esamineremo brevemente. Si sottintende, ovviamente ,
che la potenza meccanica sia fornita principalmente da attuatori pneumatici.
Prima di tutto esiste l'aspetto costo. Non sarebbe molto economico installare un sistema misto quando
un sistema solamente pneumatico sarebbe meno costoso e altrettanto affidabile. Questa è una questione
complessa. La Fig. 1.1 mostra l'aumento del costo proporzionale all'aumento della complessità tra
controllo solamente pneumatico (p) e controllo elettropneumatico (e). Ciò dimostra che la differenza di
investimento non è determinante. per una chiara decisione; dipende intatti da aspetti imponderabili, come
ad esempio la specializzazione dei manutentori, l'uni1ormità, ecc.
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Complessità
Fig. 1.1 Punto di incontro tra il controllo pn eumatico ed elettropneumatico
1.2
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Introduzione
Un sistema solamente pneumatico ha un costo iniziale piuttosto basso, ma il costo del compo.oente per
funzione è molto più alto che quello per componenti elettrici.
Il grado di complessità non può essere definito in una figura.
In certe condizioni, per esempio nei climi tropicali, c' è il pericolo che si formi della condensa sui circuiti
elettronici e che i contatti si ossidano. Questo rende i circuiti elettrici meno affidabili, o, con le dovute misure
di protezione, molto costosi. L'investimento iniziale più alto sposta la linea del costo (e) verticalmente (linea
tratteggiata "e11~) ed il punto d'incontro molto più a destra. Ciò significa che la complessità del sistema deve
essere molto più alta per poter equivalersi con un controllo puramente pneumatico.
ASPETTO TECNICO
Esiste poi l'aspetto tecnico, con il suo contributo al costo iniziale. Un sistema di controllo solamente
pneumatico, senza alcuna parte elettrica, non avrà mai problemi durante un guasto elettrico. li lavoro può
continuare per tutto il tempo durante il quale c'è pressione nelle linee d'alimentazione e nel serbatoio.
Nel caso di mancanza di elettricità, tutti gli utensili elettrici si fermano immediatamente, mentre i
meccanismi pneumatici continuano a funzionare normalmente. Questo richiede dei dispositivi di blocco
di un certo genere.
Di conseguenza, un sistema con utensili alimentati elettricamente ed un controllo pneumatico deve
essere considerato un sistema elettropneumatico. In questo caso, il controllo elettrico ha il vantaggio che
le elettrovalvole monostabili fanno ritrarre automaticamente l'utensile, in caso di mancanza di elettricità.
Un controllo solamente pneumatico richiede almeno una elettrovalvola e dispositivi a blocco pneumatici per controllare la disponibilità di potenza elettrica e fermare il lavoro o azionare un ciclo di sicurezza.
Tutto ciò sposta la linea "p" nella Fig. 1.1 più in alto, ed il punto d'incontro verso sinistra: a questo punto
un controllo elettrico può essere comparato ad un controllo pneumatico ad un più basso grado di
complessità.
La sezione "Elenco sottocircuiti" nell'appendice mostra alcuni circuiti per il tipo di sicurezza sopra
menzionati.
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2. TEORIA ELETTRICA DI BASE
CHE COS'É l'ELETTRICITÀ'?
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Elettricità statica
Corrente continua, la pila
Batteria
Generatori
LEGGI DI BASE
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• Circuito elementare
• Legge di Ohm
• Collegamento in serie
• Collegamento in parallelo
• Legge di Kirchhoff
MAGNETISMO
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Magneti
Elettromagnetismo
Induzione
Principio della dinamo, corrente alternata
Trasformatori
Solenoidi
fjSMC ltalla
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Teoria elettrica di base
TEORIA ELETTRICA DI BASE
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CHE COS'É L'ELETTRICITÀ'?
ELETTRICITÀ STATICA
La parola elettricità nacque nell'antica Grecia, dove degli studiosi scoprirono che una barra di ambra
assumeva una strana forza che attraeva i capelli umani e poteva produrre delle scintille. Il nome "ambra",
in greco, è "elektron", e in ulteriori scoperte riguardo questi misteriosi fenomeni, questa forza prese il nome
di "elettricità". Ciò che i greci avevano scoperto è quello che oggi chiamiamo "elettricità statica", e sappiamo
anche che esiste un "campo elettrostatico" attorno all'oggetto carico, simile al campo magnetico.
Anche oggi, nell'era dei computers, dell'energia nucleare e delle ricerche sulla super conduttività, non
è possibile rispondere direttamente alla domanda ~che cos'è l'elettricità". Possiamo soltanto studiarne e
descriverne gli effetti, sappiamo che l'elettricità ha qualcosa a che vedere con lo scambio di elettroni in
alcuni materiali (metalli) , ma non sappiamo dire che cosa sia realmente.
L'energia statica non può essere usata come fonte di energia. La sua tensione può essere molto alta,
ma non c'è corrente e, una volta scaricata, tutto scompare fino al momento in cui lo sfregamento non
produce un nuovo campo. L'energia elettrica che si usa ha bisogno di un'altra sorgente.
CORRENTE CONTINUA, LA PILA
Il conte Alessandro Volta, fisico italiano vissuto dal1745 al1827, fece delle scoperte e delle invenzioni
molto importanti. La più importante in questo contesto' è certamente la pila. Essa consiste in due piatti di
diversi metalli (elettrodi), separati da una sostanza simile al feltro, imbevuto di acqua acida (elettrolite).
Questo semplice sandwich crea corrente elettrica. Per aumentare la potenza, Volta impilò un certo
numero di queste pile e produsse una sorgente di energia elettrica utilizzabile. Per molto tempo, la pila di
Volta, fu l'unica fonte di energia elettrica. La tensione dipende dai metalli usati come elettrodi. La pila di
Volta viene chiamata "batteria a secco".
Ma sono esistite anche le cosiddette "batterie ad umido" o "celle galvaniche", sviluppate da L. Galvani
(1737 -1798). fisico italiano e professore di Medicina all'Università di Bologna. La cella galvanica consiste
fondamentalmente in un recipiente contenente dell'acido solforico diluito come elettrolite, una barra di
zinco ed una di rame. La barra di rame si carica positivamente mentre quella di zinco negativamente e,
se le si congiunge con un cavo, vi è un passaggio di corrente elet1rica.
Che cosa succedé? La risposta a questa domanda svela alcuni misteri. Per una migliore comprensione, occorre conoscere un po' di chimica. della quale farà seguito una descrizione semplice ma corretta.
Facciamo questo non solo per spiegare il funzionamento di una pila ormai obsoleta. ma perché ci
introduce alla conoscenza degli stessi fenomeni nei componenti dei moderni semiconduttori.
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2.1
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Acido solforico
diluito
PH-H-t--
Barra di zinco
I>H--+-Ht-+++- Barra di rame
Fig. 2.1 Antiche batterie ad umido
Una breve introduzione: il simbolo dell'ossigeno è O, quello dell'idrogeno è H. Nell'acqua, due atomi
di idrogeno e uno di ossigeno si combinano in una molecola. La formulà dell'acqua infatti è H2 0 .
H
H
a
b
Fig. 2.2 Illustrazione schematica degli atomi di idrogeno ed ossigeno (a) e molecola dell'acqua (b)
Nella batteria di Galvani, l'elettrolita è acido solforico la cui formula è H2 SO4 . Ciò significa che ciascuna
molecola contiene due atomi di idrogeno, uno di zolfo e quattro di ossigeno.
L'acido solforico si divide in due parti,~ e SO. {solfato). A questo punto si creano ioni negativi di soHato
e ioni positivi di idrogeno.
Che cosa sono gli ioni? Gli atomi di tutti i materiali sono formati da un nucleo e da un certo numero di
elettronrorbltanti, che definiscono la materia. Peresempio, l'ossigeno ha otto elettroni che orbltano intorno
al nucleo su due livelli o strati. lt livello interno contiene due elettroni e quello esterno sei. La stessa
configurazione ma con 5 elettroni sull'orbita esterna è quella dell'azoto. Gli elettroni rimangono legati al
2.2
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Teoria elettrica di base
nucleo grazie ad una forza elettrica che tiene tutto il sistema in perfetto equilibrio.
Se a causa di un'influenza esterna, un elettrone lascia l'orbita esterna, l'atomo non è più completo e
si carica positivamente: ione positivo. Allo stesso modo un elettrone può occupare l'orbita esterna di un
altro atomo, aggiungendo in questo modo la propria carica negativa e trasformando lo in ione negativo. Ma
torniamo alla batteria.
Lo zinco nell'acido solforico rilascia ioni zinco positivi. Quindi sulla barra di zinco rimangono degli
elettroni negativi. Questo processo continua fino a che non si raggiunge l'equilibrio. La stessa cosa
succede per la barra di rame, ma alla fine la barra di zinco avrà una carica negativa più alta della barra
di rame o, in altre parole, un numero di elettroni superiore. Se si congiungono le due estremità delle barre
con un filo metallico, gli elettroni passeranno dalla barra di zinco a quella di rame producendo una corrente
(
elettrica.
La differenza di carica tra le due barre viene chiamata potenziale o forza elettromotrice. La sua unità
è il Volt, in onore dell'inventore italiano che scoprì la prima fonte di energia elettrica.
Il potenziale viene comunemente chiamato "tensione". La cella zinco/rame sopra menzionata crea una
potenza elettromotrice di 1, 1Volt.
Quando una cella galvanica sta funzionando, gli elettroni passano attraverso l'elettrolita dall'elettrodo
di zinco a quello di rame. Ciò crea una decomposizione elettrolitica. Si forma dell'idrogeno che copre
completamente l'elettrodo di rame impedendo così il passaggio di elettroni. Il restante acido solforico si
combina con lo zinco e ciò diminuisce velocemente la forza elettromotrice. Per impedire questo processo,
la barra di rame è ricoperta di materiale che, rilasciando il proprio ossigeno, lega l'idrogeno e lo trasforma
in acqua. Questo permette alla cella di lavorare fino a che tutto lo zinco non è stato consumato.
Per concludere e rispondere alla domanda lnizi~le possiamo dire che ul'elettricità è un flusso di
elettroni".
BATIERIA
Una batteria è simile alla cella galvanica, ma invece di una barra di zinco e rame, ha due barre di
piombo. L'elettrolita è sempre acido solforico diluito. Ben presto la superficie delle due barre viene
ricoperta di solfato di piombo, prodotto dalla combinazione del piombo con l'acido so!forico.
Prima della carica abbiamo sotf ato di piombo, PbSO4 , su entrambe le barre e l'elettrolita, acido solforico
H2 S04 . Lasciando passare una corrente continua attraverso ta cella, l'idrogeno (H2 ) si sposta con la
corrente verso la barra negativa, mentre il rimanente acido (S04 ) si sposta dalla parte opposta. Da una
parte l'idrogeno trasfo.rma il solfato di piombo in piombo puro, dall'altra parte l'acido rimanente si ricombina
in acido solforico.
Vediamolo in formule:
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2.3