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Risparmio di Energia attraverso il Controllo Automatico |  |
Fig. 1 Controllo automatico è utilizzato in questo riscaldatore di acqua.
Vi siete mai chiesti come lampioni “sanno” per accendere quando fa buio e spegnere durante il giorno, o come una porta automatica “sa” per aprire per voi quando si cammina vicino e vicino dopo aver superato? Hai pensato a come un condizionatore d’aria “sa” quando una stanza è abbastanza fredda e spegne il suo compressore, o come uno scaldabagno “sa” di spegnersi per evitare che l’acqua venga bollita via? Tutte queste e molte altre sono le meraviglie del controllo automatico. Come vedrai in questo modulo, i controlli automatici non sono solo convenienti ma risparmiano anche energia. Diamo un’occhiata più da vicino.
Lampioni stradali
Le luci stradali sono progettate per accendersi automaticamente quando è buio e spegnersi quando c’è luce in modo da risparmiare energia. Come fanno i lampioni a percepire l’oscurità e la luce del giorno? Un dispositivo comune utilizzato è chiamato un resistore dipendente dalla luce (LDR). È un resistore con resistenza che cambia in base alla quantità di luce che cade su di esso. Quando l’LDR è al buio, la sua resistenza è molto grande, tipicamente nell’intervallo M
. Quando è sotto luce intensa, la sua resistenza è nella gamma k . Un circuito che utilizza questo cambiamento di resistenza a diverse condizioni di luce è in grado di accendere e spegnere automaticamente le luci rispettivamente durante la notte e il giorno. L’LDR per i lampioni stradali deve essere posizionato in modo tale che altre fonti di luce non brillino sull’LDR. È inoltre necessario un ritardo temporale nel circuito di commutazione in modo che brevi periodi di oscurità (ad esempio quando un uccello vola sopra l’LDR durante il giorno) o brevi periodi di luminosità (ad esempio quando i fari di un’auto brillano sull’LDR durante la notte) non accendano o spengano le luci.
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| Fig. 2 Lampioni hanno un controllo sensibile alla luce che permette loro di accendere automaticamente di notte. | Fig. 3 La resistenza dipendente dalla luce viene utilizzata in molti circuiti di controllo automatico. |
Scaldacqua, forni, frigoriferi, condizionatori d’aria
Ci sono molti apparecchi, come scaldacqua, frigoriferi e condizionatori d’aria che sono progettati per accendere o spegnere automaticamente una volta raggiunta una temperatura preimpostata. Ciò evita di far funzionare continuamente gli apparecchi e di consumare elettricità eccessiva.
Alcuni dispositivi di controllo automatico funzionano rilevando il cambiamento di temperatura e rompendo o completando un circuito di conseguenza. Questi dispositivi sono comunemente utilizzati negli apparecchi elettrici come dimostrato nelle seguenti sezioni:
Strisce bimetalliche
Il principio alla base di una striscia bimetallica è che diversi metalli si espandono in misura diversa con i cambiamenti di temperatura. Combinando due metalli diversi uno sopra l’altro in una striscia, si forma una striscia bimetallica. Quando i due metalli si espandono o si contraggono in modo diverso sotto la stessa variazione di temperatura, la striscia si piega. Può quindi essere utilizzato per accendere o spegnere un circuito a determinate temperature. Le strisce bimetalliche si trovano spesso nei forni. La struttura tipica di questo tipo di controllo è mostrata in Fig. 5.
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| Fig. 4 Una tipica striscia bimetallica | Fig. 5 La struttura di una striscia bimetallica |
Il dispositivo mostrato in Fig. 5 è tipico di quelli utilizzati nei forni. Il metallo superiore (blu) si espande di più quando riscaldato e si contrae di più quando raffreddato rispetto al metallo inferiore. Pertanto, quando la temperatura all’interno del forno scende al di sotto di un certo punto, la striscia bimetallica si piega verso l’alto abbastanza da completare il circuito, accendendo l’elemento riscaldante. In un frigorifero, viene utilizzata la configurazione inversa. Quando la temperatura all’interno del frigorifero aumenta, la striscia bimetallica si piega per accendere il compressore che avvia il ciclo di raffreddamento.
Termistori
Fig. 6 Un termistore ha una resistenza dipendente dalla temperatura.
Un termistore cambia la sua resistenza in base alla temperatura. A differenza del metallo, la resistenza di un termistore di solito diminuisce con l’aumentare della temperatura. Un termistore tipico ha una resistenza di poche centinaia di ohm a temperatura ambiente. Questo diminuisce continuamente a meno di cento ohm a 100 oC. In uno scaldacqua domestico a controllo elettronico, ad esempio, un processore o un circuito misura la resistenza del termistore. Quando viene raggiunta una resistenza che indica una particolare temperatura, gli elementi riscaldanti vengono accesi o spenti.
I termistori utilizzano semiconduttori per ottenere i cambiamenti di resistenza. Molti termistori sono fatti di una sottile bobina di materiale semiconduttore come un ossido di metallo sinterizzato. Il materiale ha la proprietà che, all’aumentare della temperatura, più elettroni nel materiale sono eccitati e in grado di muoversi per la conduzione dell’elettricità. Poiché sono disponibili più portatori di carica per la conduzione, la resistenza del materiale diminuisce con l’aumentare della temperatura.
Moderni regolatori di temperatura
Fig. 7 Questo regolatore di temperatura utilizza una termocoppia per misurare le variazioni di temperatura. Quando la temperatura misurata (22 oC) si avvicina a un certo valore (42 oC), l’uscita di potenza elettrica alla presa verrà automaticamente ridotta.
I moderni termoregolatori utilizzano termocoppie per misurare la variazione di temperatura dettagliata dell’oggetto monitorato. La termocoppia converte i dati di temperatura in segnali elettrici. I componenti elettronici del controller utilizzano queste informazioni per dedurre il cambiamento di temperatura futuro e controllare la potenza di uscita di un apparecchio (ad es. riscaldatore o condizionatore d’aria) di conseguenza per mantenere la temperatura dell’oggetto all’interno di un intervallo preimpostato. Gli utenti possono facilmente preimpostare l’intervallo di temperatura in base alle loro esigenze.
Le termocoppie utilizzate nei termoregolatori sono generalmente costituite da due fili di metallo/lega diversi collegati tra loro (ad esempio mediante saldatura) ad un’estremità. L’estremità collegata serve per misurare la temperatura e viene chiamata giunzione calda. L’altra estremità della termocoppia è collegata a un dispositivo di misurazione della tensione e viene chiamata giunzione fredda. Quando la temperatura delle due giunzioni è diversa, apparirà una differenza di potenziale tra i due materiali dissimili. La differenza di potenziale è approssimativamente proporzionale alla differenza di temperatura tra le due giunzioni. Questo fenomeno è chiamato effetto Seebeck. Le termocoppie sono generalmente molto resistenti, possono essere posizionate in spazi ristretti e possono misurare temperature elevate, rendendole termometri molto versatili.
Sensori di movimento per luci e scale mobili
Sensori di movimento a infrarossi per il controllo dell’illuminazione
I sensori di movimento a infrarossi sono comunemente usati per accendere automaticamente le luci quando viene rilevata la presenza di persone. Ciò consente di risparmiare energia pur fornendo un’illuminazione adeguata quando necessario. Questo controllo è particolarmente utile per corridoi o stanze che non vengono utilizzati frequentemente.
Vengono solitamente utilizzati sensori di movimento di tipo passivo. “Passivi” qui significa che sono sensibili alla radiazione infrarossa emessa dagli oggetti rilevati (ad es. corpo umano), ma non hanno una fonte attiva per emettere qualsiasi radiazione infrarossa.
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| Fig. 8 Sensori di movimento a infrarossi sono utilizzati per controllare l’illuminazione nei corridoi. | Fig. 9 La struttura interna del sensore di movimento a infrarossi. |
Qual è la struttura di questi sensori di movimento a infrarossi e come funzionano? Guarda la fotografia del sensore di movimento a infrarossi. La superficie curva nella parte anteriore è un tipo speciale di lente chiamata lente di Fresnel che concentra la radiazione infrarossa sul dispositivo di rilevamento a infrarossi, un sensore piroelettrico,all’interno. La lente di Fresnel è fatta di un materiale trasparente alla radiazione infrarossa, in particolare la gamma di radiazioni infrarosse emesse dal corpo umano, ma non la luce visibile.
I sensori piroelettrici sono costituiti da un materiale piroelettrico che produce tensione quando c’è un cambiamento di temperatura. Quando una persona cammina, per esempio, c’è un cambiamento nella quantità di radiazione infrarossa che raggiunge i sensori piroelettrici, che a sua volta innesca un cambiamento di temperatura e produce una tensione . La tensione generata può quindi essere utilizzata per il controllo dell’illuminazione.
Sensore di movimento per scale mobili
Fig. 10 Sensori di movimento a infrarossi sono utilizzati per controllare le scale mobili per risparmiare energia durante le ore di punta.
Per il controllo delle scale mobili vengono utilizzati sensori di movimento a infrarossi di tipo attivo che emettono un raggio di radiazione infrarossa attraverso l’ingresso delle scale mobili. Di solito, sia la sorgente del raggio infrarosso (chiamato trasmettitore) che il rilevatore a infrarossi si trovano sullo stesso lato mentre un riflettore si trova sul lato opposto. Quando una persona fa un passo tra il trasmettitore e il riflettore, il raggio infrarosso viene interrotto e la scala mobile viene accesa. Quando il percorso del fascio viene ripristinato per un certo periodo di tempo, la scala mobile viene spenta e quindi l’energia viene risparmiata senza influire sul servizio.
La seguente animazione mostra il funzionamento di alcuni controlli automatici.
Abbiamo introdotto diversi tipi di dispositivi di controllo automatico e materiali. Ora fai clic sulla seguente attività per sperimentare con questi dispositivi.