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Gli albori dellElettronica IndustrialeLElettronica Industriale inquadrata, con opportuni schemiriassuntivi, nel pi vasto campo della Elettronica Applicata.Sono indicate le principali realizzazioni del settore, iniziateproprio alla met del secolo XX. Unapplicazione importante,

il sistema di conversione da corrente alternata a correntecontinua per la trazione ferroviaria, mediante apparecchielettronici con potenze di megawatt, proposta comeesempio applicativo realizzato in Italia oltre mezzo secolo fa

Salvatore Chiama

In una mattina dellinverno del1952, uno studente di unagrande Universit italiana si

present, dopo molte esitazioni,

al professore che deteneva laconoscenza della scienza e dellatecnica sulle valvole elettroniche(vedi Castellotti La nascita dellevalvole in questo stesso numero deIl Cinescopio) e sulle applicazionidi questi componenti.

Il giovane doveva laurearsi iningegneria industriale, sezioneelettrotecnica, e voleva proporreuna tesi su unapplicazione indu-

striale delle valvole. Il professore,esaminando uno schema, chegli era stato presentato dallostudente, inorrid: accanto ai

tradizionali circuiti comprendentidiodi, triodi e pentodi vi eranoriportati circuiti con macchineelettriche, elettrovalvole, relelettromagnetici e altri compo-nenti sconosciuti nel campodellElettronica.

La tesi fu rifiutata ed il cattedra-tico sentenzi che lElettronicaha senso solo nel campo delletelecomunicazioni.

Per la cronaca, lo studente riusc asvolgere la sua tesi, realizzata anchesperimentalmente, nellambito diunaltra disciplina, gli impiantielettrici.

LElettronica Industriale

Aveva ragione il professore? Nellecircostanze di tempo e di luogo,forse s. Infatti la sua disciplina eraTelecomunicazioni e, nellambitouniversitario italiano dellepoca nonesisteva probabilmente una discipli-na che si occupasse specificamentedi applicazioni elettroniche in ambitidiversi dalle telecomunicazioni.

Oggi, a distanza di mezzo secolo,

le cose sono molto diverse, ma,nellaccezione comune, lelettronica sempre vista strettamente legataalla radio, alla televisione, aitelefonini e - da qualche anno -anche ai computer (PC).

Per chiarire che cosa sia laElettronica Industriale necessarioriportare un inquadramento dicarattere pi generale. In sintesilElettronica sia Scienza (disciplina

Elettromotrice a corrrente continua 3000 V delle F.S. (1950 circa)

Elettronica Industriale

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scientifica), che studia i fenomeni

di base, come lemissione nel vuotodi elettroni da un corpo ad elevatatemperatura, sia Tecnica (elettronicaapplicata), che si occupa dellerealizzazioni pratiche.

Nel box Che cosa ? -1- riportata una definizione trattada norme europee, di carattereeminentemente pratico, dellaApparecchiatura elettronica.

Il diagramma a blocchi (riportatonel box Mezzo secolo di elettro-nica) una tavola sinottica che,alla luce delle attuali conoscenze

e applicazioni, riporta un inqua-dramento relativo allElettronica.In questa classificazione, eviden-temente non esaustiva, nellambitodella Elettronica Applicata, trovala sua collocazione la ElettronicaIndustriale.

LElettronica Applicata si pudividere in quattro rami principali:Telecomunicazioni, ElettronicaIndustriale, Settori Diversi eComponentistica (studio e realiz-zazione di componenti elettroni-ci, chiamati anche componenti

attivi). I quattro settori sonointerdipendenti; per esempio, iprimi tre utilizzano i componentistudiati e realizzati nellambitodella Componentistica.

Il criterio distintivo tra i diversisettori menzionati di tipo praticoe si basa sullo scopo finale delprodotto di ciascun settore.

Lo scopo della Elettronica Indu-striale quello di progettare ecostruire apparecchiature elettroni-che utilizzate nelle industrie di variotipo, per esempio nella meccanica,con esclusione degli apparecchidestinati esclusivamente a trasmet-tere e/o ricevere informazionio a scopi specifici di caratteresettoriale.

Nella Fig. 1 riportata una pos-sibile suddivisione della ElettronicaIndustriale.

La classica suddivisione dellElet-tronica Industriale distingue laElettronica di Potenza (PowerElectronics) e la Elettronica diComando e Controllo (ControlElectronics); per le definizioni vediil box Che cosa ? - 2- e - 3-.

Richiamiamo lattenzione sul fattoche il termine Elettronica di Poten-za non implica alcuna valutazionesulla potenza dellapparecchio in

esame, ma si riferisce esclusivamenteallo scopo delloperazione svoltadallapparecchio. Una stazionetrasmittente ad onde medie puavere in antenna una potenzadi 100 kW, ma non pu essereclassificata nellelettronica dipotenza, perch il suo scopo quello di trasmettere informazioni;invece un alimentatore per ricaricarele batterie di un telefono portatile,che ha una potenza di circa 1 W,rientra nellambito dellelettronicadi potenza, perch ha il compito ditrasformare la corrente alternata a230 V 50 Hz in corrente continua(per esempio a 3,7 V), regolandonel contempo la corrente di carica,(per esempio a 375 mA).

Nella Fig. 1 lElettronica diPotenza suddivisa in tre settoriprincipali: convertitori di potenza,alimentatori e sistemi statici dicontinuit. Facciamo osservare cheper tutte le apparecchiature deisuddetti tre settori indicato uncollegamento anche con lelettro-nica di comando e controllo; ciin quanto, in maniera pi o meno

determinante, in ognuna di esse vi una parte di circuiti che svolgonofunzioni di questo tipo, oltrenaturalmente una parte che esegue

conversioni di potenza.Un esempio molto chiarificatoresar riportato nel prossimo articolo,che tratter dellAzionamento elet-trico (PDS, Power Drive Systems).

Con la denominazione Alimen-tatori si designano, in genere,apparecchi che convertono correntealternata in corrente continua;una particolare realizzazione riportata nel paragrafo successivoLElettronica di potenza nellatrazione ferroviaria.

I sistemi statici di continuit,commercialmente denominatianche gruppi di continuit (UPS,Uninterruptible Power System),sono utilizzati per fornire in modocontinuo - in caso di mancanzadi alimentazione da parte dellarete di distribuzione elettrica - lali-mentazione ad apparecchi, come icomputer, il cui funzionamento puessere danneggiato da interruzionidi alimentazione; in genere questidispositivi provvedono anche allastabilizzazione della tensione edalla eliminazione di eventualidisturbi di rete.

Fig. 1 - Diagramma a blocchi che riassume lElettronica Industriale

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LElettronica di Potenzanella trazione ferroviaria

Nella Elettronica applicata, nei

primi anni 50, in Italia (e, in realt,anche nel mondo) esistevano,come abbiamo gi accennatonel prologo, applicazioni quasiesclusivamente nel campo delletelecomunicazioni, con pocheeccezioni. Vogliamo accennare aduna interessante realizzazione diElettronica di Potenza, che risale aoltre mezzo secolo fa, sia perchriguarda unapplicazione diffusain tutto il nostro Paese, sia perle potenze in gioco, che anche

oggi risultano notevoli e chein quellepoca erano veramenteeccezionali per un apparecchioelettronico.

In Italia la elettrificazione diuna parte della rete delle ferroviedello Stato inizi gi prima dellaprima guerra mondiale (1915 1918). Nel 1934 erano in servizioelettrotreni a tre elementi, 100posti e servizio ristorante. Nei primianni 50 elettromotrici (vedi fotoapertura del presente articolo) edelettrotreni italiani viaggiavano avelocit che potevano raggiungerei 160/180 km/h. A met deglianni 50 oltre il 37 % della rete

delle ferrovie dello Stato era

elettrificata.Salvo poche eccezioni, il sistemaadottato in Italia fu il sistema acorrente continua (DC) con unconduttore di contatto e ritornodella corrente attraverso i binari.

La tensione della rete di alimen-tazione dei treni elettrici vennedefinitivamente stabilita al valorenominale di 3000 V, che quelloancora in vigore.

Era pertanto necessario disporredi corrente continua, con potenzenotevoli. Poich dallinizio del

secolo XX la produzione e ladistribuzione dellenergia elettricain tutto il mondo standardizzataa corrente alternata (AC), allafrequenza di 50 Hz in Europa e 60Hz in USA e in alcuni altri paesi, sipose subito il problema di convertitela AC disponibile in DC.

Per oltre mezzo secolo la so-luzione fu risolta con sistemielettromeccanici, sia mediantegruppi convertitori, realizzatiaccoppiando meccanicamente unmotore elettrico AC, generalmente

trifase, asincrono o sincrono,con un generatore elettrico DC(dinamo), sia mediante macchinecommutatrici, convertitori rotantiAC/DC.

La corrente continua prodottada questi apparati veniva fornitaalla rete che alimentava le linee dicontatto del sistema ferroviario.

Il rendimento di queste macchinerotanti era basso (85% 90%), lamanutenzione costosa, gli ingombrinotevoli.

Fig. 2 - Raddrizzatore a vapori di mercurio mercury pool 3024 kW, 630 V DC

- 1 -Apparecchiatura (o apparecchio) elettronica - Apparec-chiatura elettrica la cui funzione principale realizzatacon lutiliz zazione di componenti che usano conduzioneelettronica o ionica nei semiconduttori, nel vuoto onei gas.Esempi: Apparecchi elettronici: la radio, il forno a microonde; Apparecchi non elettroni ci: la lampadina elettrica a

incandescenza, il forno elettrico.

CHE COSA ? - 2 -Apparecchiatura elettronica di potenza - Apparecchiaturaelettronica che realizza la conversione di una potenza elettricain ingresso, contraddistinta da certe grandezze elettriche (peresempio: corrente continua o alternata, tensione, corrente,frequenza, ecc.) in una potenza elettrica in uscita, aventedifferenti caratteristiche.Le caratteristiche delluscita (o alcune di queste) possonoessere comandate da opportuni segnali elettrici dicomando.La potenza in uscita uguale alla potenza in ingresso,moltiplicata per il rendimento dellapparecchio; la potenzadel circuito di comando , di regola, trascurabile.

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A partire dagli anni

30, soprattutto negliStati Uniti, vennerocondotti studi ed ef-fettuate realizzazionidi conversione staticaAC/DC. Sono ben notele valvole raddrizzatrici(diodi e doppi diodi)utilizzate allepoca nel-le telecomunicazioni;tuttavia le potenze chepossono essere con-vertite con i tubi avuoto sono estrema-

mente piccole rispettoa quelle necessarie perla trazione elettricaferroviaria.

Un sostanziale mi-glioramento per le val-vole raddrizzatrici ven-ne conseguito nei di-spositivi (phanatron)nei quali tra gli elet-trodi anodo e catodo,anzich il vuoto spintovenne introdotto un gas o vaporidi mercurio; si poterono ottenere

correnti raddrizzate fino un centi-naio di ampere, con tensioni finoa 15000 V.

Questi dispositivi possono esseremuniti di una griglia di controllo,che permette di variare il valoremedio della tensione raddrizzatae sono denominati thyratron. Siai phanatron che i thyratron appar-tengono alla famiglia delle valvolea catodo caldo, come del restotutte le valvole usate in quellepocanel settore radiocomunicazioni.

Un passo ulteriore venne compiutoutilizzando i cosiddetti raddrizzatori

mercury-pool cathode (vedi ilbox Che cosa ? - 4 - ). Si trattadi raddrizzatori polifase, realizzatiin un unico contenitore di grandidimensioni; il catodo, del tipomercury-pool, comune a tuttigli anodi. Anche in questo tipo diraddrizzatore pu essere presenteuna griglia per regolare la tensionein uscita. Un inconveniente diquesto tipo di dispositivo dovutoal fatto che per mantenere lanecessaria bassa pressione del

Esempi: Apparecchio raddrizzatore per carica batterie; Convertitore di azionamento elettrico (PDS), Forno a microonde.

- 3 -Apparecchiatura elettronica di segnale - Apparecchiaturaelettronica che mediante opportuni circuiti analogici o logici -a partire da un certo numero di ingressi - realizza una o pifunzioni, eventualmente programmabili, che sono accessibili aun certo numero di uscite.Esempi: Logica statica per il controllo di macchine; Controllo Numerico delle macchine utensili.

- 4 -Mercury-pool cathode - (letteralmente: catodo a pozza opiscina di mercurio) tipo di catodo usato nei raddrizzatori(semplici o controllati) di grande potenza, costituito da mercurioliquido; sulla superficie della pozza, per mezzo di un dispositivoparticolare, viene mantenuta una ristretta zona incandescente(spot o macchia catodica).In questo tipo di raddrizzatori la forte corrente ottenibile,fino a migliaia di ampere, dovuta non solo agli elettroniprimari emessi dalla macchia catodica ma soprattutto allecariche positive e negative (ioni ed elettroni) che si sonoliberati per dissociazione (ionizzazione). Il processo, cheavviene in ambiente a bassa pressione di vapori di mercurio fisicamente molto complesso.

vapore di mercurio

devono essere utiliz-zate pompe. Tuttaviaquesti apparati possonoraggiungere potenzeveramente notevoli.

La Fig. 2 la foto-grafia di un raddrizza-tore, costruito negliStati Uniti dalla Allis-Chalmers (anno circa1949), a 18 anodi, conpotenza nominale di3024 kW, 630 V DCin uscita.

Nella Fig. 3 ri-portato lo schema diinserzione di un rad-drizzatore di questotipo, a tre anodi; inalto schematizzatoun trasformatore trifa-se con collegamentotriangolo/stella ed Rrappresenta il caricoalimentato in correntecontinua. Si deve in-

tendere che il catodo costituitoda mercurio liquido.

Anche in Italia i raddrizzatoria vapori di mercurio, denominatianche mutatori, venivano normal-mente utilizzati gi alla fine deglianni 40. Poich la caduta ditensione relativamente bassa,dellordine di 25 V, indipendentedalle condizioni di funzionamento,il mutatore particolarmente inte-ressante per le tensioni dellordinedi grandezza dei 20003000 V;si possono ottenere rendimentifino al 99%.

Fig. 3 - Schemadi principio di circuitoraddrizzatorecon tubo a vaporidi mercurio

a)