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Il laser fa male o fa bene alla salute ? Effetti del laser sull'uomo

Il titolo di questo articolo riprende una domanda che , un po' semplicisticamente , viene posta dai neofiti del laser : quando l'uso del laser fa male e può quindi creare danni alla salute dell'uomo ( principalmente su occhi e pelle ) e in quali applicazioni può invece avere effetti positivi sulla salute dell'uomo.

Gli effetti positivi sono legati all'utilizzo terapeutico o estetico dei laser : in ambito estetico sono ormai disponibili depilazione laser , trattamento di rughe , cicatrici , smagliature e capelli. In ambito medico , le applicazioni sono davvero tante : chirurgia , oncologia ( riscaldamento selettivo e distruzione di cellule tumorali ) , oculistica ( diffusissimo è ormai l'intervento alla retina ) , urologia ( distruzione di calcoli renali ) , ecc

Riguardo invece gli effetti negativi anticipiamo una risposta sintetica , che andremo ad approfondire nel resto dell'articolo : ci sono laser che , anche se usati impropriamente , non hanno conseguenze negative sull'uomo e ci sono laser che , invece , possono far male all'uomo e quindi devono essere utilizzati con molta attenzione e da personale esperto e appositamente formato. A tale proposito ci vengono in aiuto le norme ( CEI 76-2CEI EN 60825 ) , che effettuano proprio una suddivisione dei dispositivi a laser in base a classi di pericolosità.

Le norme si appoggiano alla definizione di Livello di Esposizione Accettabile ( LEA ) e Esposizione Massima Permessa ( EMP ) : i laser che non fanno male alla salute vengono detti laser intrinsecamente innocui e vengono classificati di classe 1 ( nessun rischio ) . Sono di potenza inferiore a 0,04 mW e non possono creare danni all'uomo in nessuna condizione , neanche per esposizioni prolungate e se puntati sugli occhi con sistemi di osservazione come binocoli e microscopi . Se invece sono possono diventare pericolosi in caso di osservazione con questi sistemi ottici , vengono definiti di classe 1M ( rischio basso ) .

A crescere dalla classe 1 , iniziano ad essere importanti i distinguo :

Laser di classe 2 ( rischio basso ): sono di potenza inferiore a 1mW ed emettono luce nello spettro visibile ( tra 400 nm e 700 nm ). Non sono laser intrinsecamente sicuri e bisogna pertanto evitare di guardare direttamente il fascio o di puntarli sulle persone. E' anche vero che , spesso , basta il normale riflesso che si ha di fronte a una luce intensa per provocare la chiusura della palpebra ed evitare danni . Va comunque opportunamente segnalato il rischio e il divieto di guardare direttamente nel fascio.

Laser di classe 2M ( rischio basso ) : hanno caratteristiche simili ai dispositivi di classe 2 , ma diventano pericolosi se osservati con sistemi ottici come lenti e binocoli . Questo rischio va sottolineato e specificato , invitando gli utenti a non utilizzare i sistemi ottici in questione.

Laser di classe 3R : sono dispositivi caratterizzati da un rischio medio , con lunghezza d'onda più ampia dello spettro visibile ( tra 302,5 nm e 10^6 nm ) per cui , se puntati negli occhi , possono anche non provocare reazioni difensive come il riflesso corneale. L'uso ne è consentito solo a persone autorizzate e formate.

Laser di classe 3 : il rischio è medio e sono pericolosi se puntati direttamente sugli occhi . Minore è il rischio in caso di riflessioni del fascio. L'uso è consentito solo a persone autorizzate e formate , la zona di accesso al laser deve essere confinata e sorvegliata. Viene formato un Tecnico Sicurezza Laser ( TSL ) , a controllare il rispetto delle prescrizioni .

Laser di classe 4 ( rischio alto ) : sono laser pericolosi per l'uomo non solo in caso di esposizione diretta alla vista , ma anche nel caso di esposizione indiretta e , inoltre , l'irradianza è tale da poter provocare danni alla pelle e ad altri tessuti , oltre che poter provocare incendi. Vanno quindi usati con molta cautela e solo da persone con formazione specifica. La zona di utilizzo va confinata e sorvegliata e al Tecnico Sicurezza Laser spetta verificare che queste condizioni siano rispettate.

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Cos'è il laser , la sua storia , quali sono le applicazioni del laser .

Origine , nome e storia del Laser

Laser è l'acronimo di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation , ovvero si tratta di un amplificatore di luce per emissione indotta di radiazione . L'acronimo specifica lo stesso principio di funzionamento del Laser , che fu messo a punto negli USA ad inizio degli anni '60 con diverse tecniche : in California con una tecnica allo stato solido che sfruttava il cristallo del rubino e , contemporaneamente , fu depositato sempre negli Stati Uniti un brevetto di un laser a partire da due gas , elio e neon.

Quest'ultimo brevetto venne in realtà inizialmente definito Maser ottico a gas : storicamente la realizzazione del Maser ( Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation ) ha preceduto la costruzione del Laser ; fu infatti realizzato circa un decennio prima e il nome è frutto di un acronimo molto simile a quello del Laser , in cui Light ( Luce ) è sostituito da Microwaves ovvero microonde , cioè radiazioni elettromagnetiche con lunghezza d'onda maggiore ( cioè frequenza inferiore ) a quella dello spettro della luce visibile.

Alla base del dispositivo c'è il fenomeno dell'emissione stimolata o emissione indotta , indagata nei decenni precedenti a partire da uno studio di Albert Einstein nel 1917 . A differenza dell'emissione spontanea , che altro non è che la luminescenza cioè il fenomeno di emissione di radiazioni luminose da parte dei corpi durante il passaggio da stati ad energia superiore a stati di energia inferiore , dove i fotoni emessi hanno direzione e fase casuale , nell'emissione stimolata questo passaggio di stato è appunto provocato da radiazione elettromagnetica alla stessa frequenza , direzione e fase di quella incidente ed è una luce coerente. Vedremo nel prossimo paragrafo cosa si intende per luce coerente.

Le caratteristiche della luce laser e le sue applicazioni

Le applicazioni del laser sono dovute a caratteristiche molto particolari del fascio luminoso emesso dal dispositivo , che sono :

coerenza spaziale e temporale : le onde luminose conservano la stessa fase nel tempo e hanno la stessa fase in tutti i punti del fascio luminoso ;
monocromaticità : lo spettro delle frequenze luminoso è molto stretto , caratteristica legata alla coerenza temporale ;
direzionalità : il fascio luminoso è fortemente direzionale e collimato ( cioè non si disperde anche a distanze molto lunghe ) , questa caratteristica è legata alla coerenza spaziale ;
alta irradianza o densità di potenza W/cm2 : è legata alla direzionalità , essendo la potenza concentrata su una superficie molto stretta , il rapporto W/cm2 è alto ;

Come viene prodotta la luce laser : mezzo attivo , pompaggio e cavità

Per arrivare dall'enunciazione delle teorie sull'emissione indotta ad un dispositivo in grado di tradurre queste teorie in luce laser sono stati impiegati diversi anni , perché la tecnologia è effettivamente molto più complessa di quanto possa sembrare.

Il primo problema da risolvere consiste nel pompaggio del mezzo attivo , ovvero nel portare il mezzo attivo che produrrà l'emissione indotta ad uno stato di inversione della popolazione , dove la maggior parte degli atomi del materiale possiede più elettroni nello stato eccitato che nello stato fondamentale. A seconda della tecnica impiegata per portare il mezzo attivo in questo stato si parla di pompaggio ottico ( mediante luce ) , pompaggio elettrico ( mediante il passaggio di corrente o una scarica elettrica ) , pompaggio chimico ( mediante una reazione chimica ) o pompaggio atomico ( collisioni tra atomi o molecole ).

Il secondo aspetto tecnologicmente rilevante consiste nell'amplificare l'emissione indotta e nel renderla di caratteristiche tali da poterla utilizzare nelle varie applicazioni del laser. Questo avviene calando il mezzo attivo in una cavità ottica o risonatore ottico : immaginiamola come costituita da due specchi , di cui uno semiriflettente. La luce nella cavità viene ripetutamente riflettuta e amplificato , finché parte viene emessa attraverso la parete semiriflettente .

Il diodo Laser e la grande diffusione del Laser

Un grande impulso alla diffusione del laser e al moltiplicarsi delle sue applicazioni si è avuto negli anni '70 quando si è iniziato a realizzare laser con dispositivi a semiconduttore , il cosiddetto diodo laser , con conseguente miniaturizzazione e calo dei costi grazie alle economie di scala.

I diodi laser trovano applicazione nei seguenti campi : 

1) lettori ottici come quelli di CD , DVD , Blu Ray . Il lettore CD è forse stato il primo esempio di impiego di massa dei diodi laser : era il 1982 e il lancio del lettore CD da parte di Sony e Philips , grazie anche alla produzione di massa dei diodi laser da parte di Sharp , segno la fine dell'era analogica nel settore audio e hi-fi per entrare nell'era digitale. 
2) stampa Laser : la stampa laser è ormai sul mercato da oltre 40 anni , quando furono introdotte da Xerox , e oggi permettono di raggiungere alte velocità e qualità di stampa con grande affidabilità e silenziosità ; i costi sono ancora mediamente più alti della stampa a getto d'inchiostro , ma si sono sensibilmente ridotti col crescere della loro diffusione ; le stampanti laser funzionano in realtà su principi di elettrostatica : il compito del fascio laser è di colpire determinati punti del tamburo, un rullo caricato di carica elettrostatica positiva , facendo perdere la carica nei punti colpiti ; in questo modo i punti rimasti carichi positivamente attirano la polvere del toner , che è invece caricata negativamente ; la polvere si poggia sul foglio di carta e viene fissata mediante calore passando attraverso i rulli fusori.
3) sorgenti nei sistemi di comunicazione ottica : a questo proposito è immediato pensare alle fibre ottiche , ma la caratteristica del fascio laser di non disperdersi anche su lunghe distanze , li rendono ideali anche per le comunicazioni ottiche in spazio libero. Queste comunicazioni hanno lo svantaggio di poter raggiungere distanze di qualche decina di km e di necessitare che non vi siano ostacoli o agenti atmosferici tra trasmettitore e ricevitore ; 
4) strumenti di misura come telemetri e livelle laser : qui affrontiamo nel dettaglio come funziona un telemetro
5) lettori di codici a barre
6) puntatori laser : nati per i sistemi di puntamento in ambito militare e di armamenti , la loro miniaturizzazione e diffusione li ha resi facilmente disponibili a qualsiasi utente; per questo è importante la classificazione della pericolosità per la salute umana secondo le norme IEC 60825 e Cenelec EN 60825-1 ;
7) visori a sovraimpressione ( o head-up display ) : inizialmente nati in ambito aeronautico militare , poi diffusisi nell'aviazione civile e ora anche in ambito automobilistico
8) strumenti per la realtà aumentata , proiezione di immagini , dolby vision

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Il Laser negli strumenti di misura

Tra le tante applicazioni in cui il Laser è stato impiegato nei suoi quasi 70 anni di storia ci sono sicuramente le misurazioni. Gli strumenti di misura Laser sono ormai una realtà , soprattutto in edilizia e nei campi ad essa connessi ( impiantistica elettrica e idraulica , trasporti , ecc ) : alcuni strumenti molto diffusi sono il distanziometro , telemetro e la livella laser .

Il misuratore o telemetro laser è un dispositivo di alta precisione che permette di misurare la distanza tra due punti grazie all’emissione di un raggio laser a bassa intensità e misurando , tramite un sofisticato sistema di calcolo , il tempo intercorso tra l’emissione del raggio e il ritorno del suo riflesso.

Quali sono gli aspetti bisogna prendere in considerazione nella scelta di un misuratore di questo tipo ?  Gli aspetti determinanti per la scelta del misuratore laser sono sicuramente la precisione e funzionalità ma anche la grandezza il peso del prodotto e dimensioni dello schermo.  Questi fattori sono molto importanti perché ne determinano la maneggevolezza e la migliore fruibilità in tutte le situazioni. La maggior parte dei dispositivi viene utilizzata nell’edilizia civile e devono consentire misure precise in tutti i tipi di ambienti anche con ostacoli e la possibilità di leggere chiaramente i dati in tutte le situazioni di visibilità.

Per vedere quali funzionalità fornisce un misuratore laser rispetto a un normale altro strumento di misura delle distanze prendiamo un esempio di prodotto tra i vari misuratori disponibili sul mercato : il misuratore laser PCE-LDM 45 della PCE Instruments. Grazie ad un display retroilluminato fornisce risultati perfettamente leggibili e che può essere utilizzato per effettuare misure singole o per misurare in modalità continua, quando si vuole allineare superfici diverse divise da ostacoli. Grazie alla funzione pitagorica , permette all’operatore di calcolare anche la superficie e il volume di un ambiente , avendo a disposizione anche la funzione di addizione e sottrazione e una memoria interna per 20 punti di misura.  Completano le funzionalità di questo misuratore potente e versatile, la funzione di minimo e massimo e la possibilità di effettuare misurazioni fino a 40 m.

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  • Veicoli elettrici
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I veicoli elettrici : quale impatto sull'ambiente e sulla rete di distribuzione elettrica

La diffusione dei veicoli elettrici : i numeri

Annunciata da almeno un decennio , la rivoluzione dei veicoli elettrici a batteria ( Battery Electric Vehicle, BEV ) , sembra essere davvero alle porte. Per quanto riguarda le auto , le statistiche degli ultimi anni a livello mondiale indicano parlano chiaro : +70% nel 2018 rispetto al 2017 , +40% nel 2019 sul 2018 , con la Cina principale mercato mondiale dove le auto elettriche nel 2018 sono raddoppiate rispetto al 2017 , con 1,5 milioni di auto elettriche in circolazione nel paese .

Ancora più alta è la penetrazione nel mercato che riguarda il traffico cittadino : la diffusione di mezzi pubblici a trazione elettrica è tra gli obiettivi di quasi tutte le metropoli occidentali , mentre i cosiddetti veicoli elettrici da ultimo miglio come bici elettriche ( dette anche e-bike ) o a pedalata assistita , gli scooter elettrici , le bighe elettriche ( note anche come segway dal nome del primo produttore che le ha immesse nel mercato ) , gli overboard , i monopattini elettrici , gli e-pitbike e i quad elettrici sono ormai parte integrante della nostra esperienza quotidiana nelle grandi città e non solo.

Inevitabile che questo rapido incremento dei mezzi a batteria richiederà un consistente aumento nella fornitura e distribuzione di energia elettrica : oggetto di questo articolo sono due :

- analizzare quanto gli effetti sull'ambiente dei veicoli elettrici dipendano dalle fonti di energia utilizzata per produrre l'energia necessaria alla ricarica delle batterie
- quale impatto può avere questo incremento sulla produzione ( quanto e come ) e distribuzione dell'energia elettrica , soprattutto in Italia .

I rendimenti e le energie in gioco : è davvero conveniente per l'ambiente l'auto elettrica ?

La prima domanda che un neofita potrebbe porsi è se l'auto elettrica , e i veicoli elettrici in generale , comportino davvero convenienze per l'ambiente rispetto ai veicoli tradizionali a combustione .

Nel veicolo a combustione vi è infatti conversione di energia chimica in energia termica ed infine in energia meccanica per svolgere un lavoro , con produzione di un determinato quantitativo di CO2 ed altri agenti inquinanti , immediatamente visibili dallo stesso utilizzatore finale.

Nel veicolo elettrico , dal lato dell'utilizzatore , vi è conversione di energia elettrica in energia meccanica senza emissione locale di anidride carbonica , polveri sottili ed altri agenti inquinanti , ma è naturale chiedersi :

1) come viene prodotta questa energia elettrica : da combustibili fossili , da energia nucleare , da fonti rinnovabili ? La risposta varia ovviamente da nazione a nazione e nelle righe che seguono analizzeremo il caso italiano ;
2) quanta di questa energia è necessario produrre a parità di lavoro meccanico svolto per effettuare lo stesso spostamento in termini di spazio ( km ) .
3) quanta energia non rinnovabile è necessario utilizzare per le attività non legate alla sola percorrenza chilometrica : per i mezzi tradizionali possiamo considerare ad esempio i costi in termini economici ed ambientali per l'estrazione , la raffinazione e il trasporto dei carburanti , per i veicoli elettrici una questione molto importante sono i costi ambientali di produzione e smaltimento delle batterie .

Lasceremo la terza questione come uno spunto di riflessione per far capire che un'analisi costi/benefici davvero completa è molto più complessa di quanto la si voglia far sembrare. Trattarla ci porterebbe molto fuori dall'oggetto di questa trattazione , suggeriamo questo link per approfondire .

Proviamo a rispondere invece alle prime due domande , individuando 4 diverse possibili situazioni :

A) l'energia elettrica è prodotta localmente da fonti rinnovabili . E' il caso in cui il cliente con il veicolo elettrico possa accedere , presso la propria abitazione o altri punti di ricarica , a colonnine di ricarica con energia prodotta sul posto da fotovoltaico , eolico o altre fonti rinnovabili . Questa situazione è quella ideale per l'ambiente , perché sono praticamente nulle sia le emissioni di CO2 ed inquinanti che le perdite per il trasporto dell'energia. Le uniche perdite si hanno nel sistema di ricarica delle batterie ( rendimento circa l'80% ) e nella trasformazione dell'energia elettrica in energia meccanica dovuta al motore elettrico , ma va specificato che i motori elettrici hanno rendimenti molto elevati se paragonati ai motori termici  ( superiori all'80% con valori tipici intorno al 90-95% ) .

Una parentesi riguardo le perdite alla colonnina di ricarica è doverosa : l'energia persa è dovuta in questo caso alla dissipazione termica per effetto Joule sui componenti . L'effetto Joule sui cavi elettrici e sugli altri componenti della stazione di ricarica è tanto più alto quanto più è alta la corrente e tanto più basso quanto più sono sovradimensionate le sezioni e le portate. A meno di sovradimensionare i componenti della stazione di ricarica , pertanto , l'esigenza di ridurre le perdite è in contrasto con l'esigenza di ridurre i tempi di ricarica.

B) l'energia elettrica è prodotta da fonti rinnovabili in punti remoti rispetto al punto di ricarica , ovvero presso centrali elettriche ( idroelettiche , ecc ) o impianti di generazione ( fotovoltaico , eolico , ecc ) . Questo caso è meno ideale del precedente , ma sempre molto conveniente per l'ambiente : oltre alle perdite del motore ci sono le perdite sulla rete di distribuzione , ma la produzione di CO2 , inquinanti e altri svantaggi per l'ambiente resta comunque nulla.

C) l'energia elettrica è prodotta da energia nucleare ( che ovviamente non può che essere "remota" rispetto al punto di ricarica , a meno di non avere una centrale nucleare in casa ! ) . Abbiamo evidenziato la casistica dell'energia nucleare in un caso a parte perché :

- non si tratta di un'energia fossile , seppure non sia a zero emissioni di CO2 considerando l'intero ciclo di vita dell'impianto di produzione ( ma in questo senso non lo sono neanche gli impianti fotovoltaici ed eolici ) ;
- pur avendo un impatto relativamente basso di CO2 e gas serra , implica comunque una serie di svantaggi dal punto di vista ambientale in caso di incidenti alla centrale stessa , nello smaltimento dei rifiuti e al termine del ciclo di vita della centrale , che sono ampiamente dibattuti e che in Italia hanno portato all'abbandono di questa fonte di energia ;
- proprio per la rinuncia italiana al nucleare , la quota di energia elettrica prodotta da nucleare comporta ancora maggiori perdite nel sistema di distribuzione dovute alla sua importazione dall'estero.

D) l'energia elettrica è prodotta da centrali che impiegano combustibili fossili . Ovviamente questa situazione è la più sfavorevole per l'ambiente rispetto alle precedenti e l'analisi deve farsi più qualitativa : da entrambe le parti c'è all'origine un'energia termica generata da carburanti fossili , il confronto va fatto tenendo conto del rendimento di una centrale elettrica con combustibile fossile ( carbone ? gasolio ? gas ) e quello di un motore a combustione interna di un'automobile tradizionale.

Andrebbero confrontati :

- da una parte il rendimento totale del sistema centrale elettrica - rete di distribuzione - motore elettrico e quindi , per percorrere ipotizziamo 1km , quanto combustibile sarebbe necessario e quanti gas serra emette ;
- dall'altra parte il rendimento del solo motore del veicolo tradizionale e le sue emissioni di CO2 per percorrere lo stesso km.

Se prendiamo valori tipici e facciamo confronti considerando le tante casistiche di auto a combustione ( auto diesel ? benzina ? gas ? Euro 4 ? Euro 5 ? Euro 6 ? ) e di centrali elettriche ( una centrale a carbone inquina molto di più di una centrale a gas ) , ci rendiamo conto che quando l'energia che alimenta il veicolo BEV proviene da fonti fossili la convenienza dell'auto elettrica non è così scontata ed entrano in gioco mille sfaccettature : età del parco auto ( sia tradizionale che elettrico ) , tipologia di centrale , qualità del sistema di distribuzione.

Se consideriamo ad esempio un caso più favorevole per le auto tradizionali , ovvero considerando un moderno motore a combustione che può raggiungere anche un rendimento del 40% , e lo confrontiamo con il caso più sfavorevole per un'auto elettrica , ipotizzando un rendimento del motore elettrico pari al 90% , l'80% per il sistema di ricarica delle batterie , produzione dell'energia da centrale a carbone ( la centrale a carbone italiana con maggior rendimento ha il 46% ) con il 6.5% di perdite nella distribuzione elettrica siamo ad un rendimento complessivo del sistema centrale-auto elettrica intorno al 30% . 

Se consideriamo invece un caso più favorevole alle auto elettriche , con motore a benzina di rendimento tipico 28% , per l'auto elettrica stessi valori del caso precedente ma ma con energia prodotta da centrale termoelettrica a ciclo combinato gas-vapore ( che può raggiungere un rendimento anche del 60% ) , il sistema centrale-distribuzione-ricarica-motore elettrico avrebbe un rendimento complessivo intorno al 40% , decisamente più favorevole rispetto all'auto a benzina.

Questo per limitarsi alla sola efficienza energetica e senza prendere in considerazione anche le emissioni inquinanti. Inutile dire che tra questi due casi limite vi sono infiniti casi intermedi , che impongono di considerare tantissime variabili e rendono ancora più importante prendere in considerazione il mix energetico della produzione di energia elettrica.

Il mix energetico : da dove proviene l'energia elettrica consumata in Italia

Da quanto detto nel paragrafo precedente, appare chiaro che quanto più l'energia elettrica viene prodotta da fonti non fossili e tanto più possiamo avere la certezza che il ricorso ad auto elettriche sia conveniente per l'ambiente. 

Nel 2017 il mix energetico italiano , secondo il GSE , era così composto :

- Fonti rinnovabili 36,60%
- Carbone 13,75%
- Gas 42,34%
- Petrolio 0,75%
- Nucleare 3,68%
- Altre fonti 2,88%

Idealmente questo mix dovrebbe tendere sempre più verso le fonti rinnovabili , ma questo non è sempre scontato : sempre la stessa fonte ufficiale riporta che nel 2016 , invece , la percentuale di energia elettrica italiana da fonti rinnovabili era al 38.85% ed è quindi diminuita nel tempo.

Questo perché le percentuali dipendono anche dal fabbisogno complessivo e , in quest'ottica , diventa fondamentale anche il nostro ultimo tentativo di analisi : che impatto avrebbe un massiccio sviluppo delle vendite dei veicoli elettrici a batteria sulla fornitura e la distribuzione dell'energia elettrica in Italia ?

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I componenti dell'Industria 4.0 : I moduli I/O ( Ingresso/Uscita )

Quante volte abbiamo sentito parlare , negli ultimi anni , di Fabbrica intelligente , Industria 4.0 e Quarta Rivoluzione Industriale o , con terminologia anglosassone , Smart Factory , Smart Industry e Industry 4.0 ? Affronteremo in un apposito approfondimento le origini e le conseguenze di quella che alcuni hanno definito come una vera e propria quarta rivoluzione industriale , in questo articolo iniziamo invece una prima puntata di approfondimento su quelli che sono i componenti che permettono di mettere in atto il concetto di Industria 4.0 : i moduli di ingresso/uscita o I/O.

Non è un caso se partiamo proprio dai moduli I/O ; essi incarnano infatti due tra i principi fondanti dell'Industria 4.0 : l'intelligenza distribuita e la Big Data analysis , ovvero la capacità di raccogliere e analizzare una grande mole di dati per automatizzare e rendere efficiente l'azienda dalla produzione all'amministrazione , al management ( si pensi ad esempio alla possibilità di conoscere con esattezza i costi dei consumi energetici in ogni singolo impianto produttivo dell'azienda ).

L'intelligenza distribuita ha via via spostato i sistemi di controllo da pochi sistemi di acqusizione ed elaborazione centralizzati a tanti apparecchi montati direttamente sul campo e in grado di acquisire ed elaborare i segnali e decidere le azioni di controllo. Tra i primi sistemi ad essere stati decentrati vi sono proprio stati i moduli I/O , tanto che i bus di campo hanno conosciuto grande diffusione negli '90 e 2000 quando ancora si parlava di industria 3.0 : se però pensiamo al paragone con l'informatica e i calcolatori degli anni '70 e '80 , in cui tutte le periferiche che servivano ad effettuare uno scambio di dati o segnali tra un sistema operativo o i programmi utilizzati erano nei pressi del calcolatore , comprendiamo quanta strada sia stata percorsa dalla tecnologia.

A rendere tutto questo possibile è stata la diffusione dei bus di campo e all'utilizzo delle reti dati anche in ambito industriale : Ethernet , Modbus , Profibus , Lonworks sono solo alcuni degli standard più utilizzati , la cui larga diffusione ha permesso di abbattere i costi di integrazione nei vari componenti tanto che gli stessi moduli I/O sono impiegati anche in domotica e building automation , per l'automazione degli edifici ad uso terziario e residenziale di medio/grandi dimensioni , accanto agli standard tipici della domotica come KNX .

Per addentrarci nel funzionamento di un modulo di ingresso/uscita , prendiamo ad esempio i moduli I/O della serie PCE-SM , per standard Modbus prodotti dalla PCE Instruments , azienda che si occupa tanto di automazione quanto di misurazione e trasduzione. . Il Modubs è un protocollo master/slave , cioè il flusso di informazioni normalmente viene amministrato da un "master" che gestisce il sistema e uno o più "slave" che rispondono alle interrogazioni del master. Il protocollo MODBUS definisce come il master e gli slave stabiliscono ed interrompono la comunicazione, come trasmettitore e ricevitore devono essere identificati, come i messaggi devono essere scambiati e gli errori rilevati. Per impostare i parametri del modulo basta utilizzare il software di configurazione e l'interfaccia RS232 che trova sul pannello frontale.

I moduli I/O permettono di collegare al bus Modbus :

1) ingressi digitali , che permette di trasformare in pacchetti modbus segnali binari o a impulsi come interruttori , finecorsa e altri sensori digitali come fa ad esempio il modulo PCE-SM3 .

2) ingressi analogici , che trasformano in pacchetti modbus le informazioni provenienti da sensori analogici , sia in tensione 0-10V , che in corrente 0/4 ... 20mA che PT100 o 0-40 Ohm , come fa ad esempio il PCE-SM1 .

3) uscite digitali , che a partire dalle informazioni contenute nel pacchetto modbus inviato al modulo di uscita , comandano fino a 8 uscite digitali . E' il caso ad esempio del modulo PCE-SM4 .

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Chi Siamo . Impresa ENG Service e autori degli articoli di Ingegneria-Elettronica.com

Il portale ingegneria-elettronica.com è di proprietà della ENG Service  . Nel portale effettuiamo divulgazione , informazione tecnica e approfondimento sui temi oggetto delle nostre attività : impiantistica e distribuzione elettrica , elettronica , automazione industriale , domotica e building automation , telecomunicazioni e reti dati , efficienza energetica e risparmio energetico.

Di seguito gli autori che hanno contribuito alla stesura degli articoli e dei contenuti :

Daniele Ciampichetti : quasi 40 anni , diplomato nel '98 perito tecnico industriale all'ITIS Vito Volterra di Ancona ( indirizzo Elettronica e Telecomunicazioni , col massimo dei voti ) ; nel 2004 si laurea con lode in Ingegneria Elettronica Vecchio Ordinamento ( corrispondente all'attuale laurea magistrale ) ad indirizzo controlli automatici all'Università Politecnica delle Marche . Dopo quasi un decennio come progettista elettrico e responsabile dell'ufficio tecnico , nel 2013 avvio l'attività da imprenditore con la ENG Service .

Parallelamente agli studi di ingegneria , già dall'università si interessa di web e ottimizzazione nei motori di ricerca ( SEO , Search Engine Optimization ) : Ingegneria-elettronica.com nasce come fusione di questi due ambiti . Online già dalla fine degli anni '90 come sito di appunti universitari , si evolve negli anni in un portale informativo sul mondo dell'elettronica e dei suoi settori complementari .

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Lampade a Led : cosa sono , vantaggi e caratteristiche tecniche

Il diodo a LED : la storia 

L'acronimo LED significa Light Emitting Diode , ovvero diodi ad emissione di luce : sebbene oggi l'utente comune associ i LED ai sistemi di illuminazione , per molti anni essi sono stati invece dei componenti di sistemi elettronici ( e lo sono tuttora ) . Si tratta a tutti gli effetti di diodi , ovvero di componenti a semiconduttore costituiti da giunzioni che permettono il passaggio di corrente se la tensione loro applicata rispetta una determinata polarità e supera una determinata soglia. Nel momento in cui avviene questo passaggio di corrente emettono anche luce , a differenza dei diodi tradizionali , e questa loro caratteristica è stata utilizzata per la segnalazione di stati di funzionamento nei circuiti elettronici e nella costruzione di indicatori digitali .

Negli anni '80 , per chi si occupava di Elettronica , l'immagine tipica di un Led era quella su una breadboard di prova dei circuiti elettronici

Come i LED sono oggi impiegati nell'illuminazione 

Perché i LED possano essere efficaci in un sistema di illuminazione ne devono essere montati un numero sufficiente su un circuito stampato , che verrà poi montato all'interno del corpo illuminante e completato con ottiche e convogliatori per ottenere diverse distribuzioni . La luce dei Led , infatti , è omnidirezionale ovvero emette un fascio luminoso che deve poi essere opportunamente convogliato dalle ottiche o dai lenti in modo da ottenere la curva fotometrica desiderata dal costruttore. I progettisti illuminotecnici poi ,  ricorrendo a calcoli e a software , scelgono i corpi illuminanti più opportuni e li collocano nel progetto per ottenere l'illuminazione desiderata. Non sono invece necessari filtri che modifichino il colore della luce , in quanto tra i vantaggi della luce LED c'è il fatto che possono emettere anche luce colorata e con temperatura di colore che può andare dai 2700K ai 6500K . Non si tratta degli unici vantaggi , che sono molteplici come vedremo nel parametro successivo.

Tutti i vantaggi della Luce a Led

Oltre a quelli sopra elencati , la luce a Led ha molti altri vantaggi :

- lunga durata ( vita utile ) : a differenza delle lampade tradizionali , le lampade a Led non presentano filamenti o parti mobili ( sono , come detto , dispositivi a semiconduttore ) e non vanno incontro a rottura ma presentano un decadimento del flusso luminoso molto lento , dell'ordine di grandezza delle 50.000 ore prima di scendere significativamente . A tale proposito c'è un'apposita nomenclatura per indicare il flusso luminoso percentuale conservato dalla lampada al raggiungimento delle 50.000 h : quando troviamo le sigle L90 , L80 , L70 la cifra dopo la lettera L indica la percentuale di flusso luminoso originario mantenuto dopo cinquantamila ore di lavoro ( quindi rispettivamente il 90% , l'80% e il 70% del flusso nominale originario ).

Ad essere rigorosi , quando la cifra L80 non è seguita da altre sigle Bxx e Cxx , l'80% di flusso originario è mantenuto dalla media dei dispositivi di quel tipo , cioè il 50% . Si potrebbe anche scrivere L80 B50 , ma in questo caso B50 viene omesso. Quando il costruttore garantisce prestazioni di vita utile ancora maggiori introduce altre sigle nella classificazione , ma di questo parleremo in un altro articolo per non appesantire la trattazione.

- alta efficienza luminosa : a parità di Lumen emessi , i Led richiedono un minore consumo di Watt elettrici rispetto alle lampade tradizionali , dovuto sia a un maggior rendimento della conversione tra energia elettrica ed energia luminosa , sia a minori perdite nei sistemi di alimentazione. L'efficienza luminosa si esprime infatti in Lumen/Watt ed è il rapporto tra il flusso luminoso emesso e la potenza elettrica assorbita dall'apparecchio.

Per fare un confronto tra apparecchi a Led ed altre sorgenti luminose che emettono un flusso equivalente prendiamo due esempi , che però rischiano di diventare presto obsoleti , data il continuo miglioramento dell'efficienza luminosa dei Led con l'avanzare della tecnologia di produzione ( che negli ultimi 5 anni è addirittura raddoppiata ) :

per ottenere lo stesso flusso di un tubo fluorescente compatto da 24W ( TC-L24W ) servono attualmente 12 Led ; mentre però la TC-L24W assorbe complessivamente 26W elettrici , i 12 Led assorbono un valore tipico di 18W , cioè il 36% di risparmio energetico . Immaginando un arco temporale di 20 anni per quel punto luce , si saranno risparmiati 1.000 kW/h di energia , corrispondenti ad una riduzione di emissioni di CO2 di 460 Kg .

maggiore compattezza : a parità di lumen emessi , i Led sono estremamente più compatti . Questo implica un minore ingombro e una più comoda progettazione anche in condizioni architettoniche particolari come ristrutturazioni o edifici di particolare pregio artistico e architettonico in cui la visibilità dei corpi illuminanti deve essere minima . Inoltre ne permette l'integrazione anche in dispositivi elettrici o elettronici dove non sarebbe stato possibile integrare altre tipologie di lampade : impossibile non pensare all'enorme diffusione di TV a Led , Ledwall e maxischermi che trovano largo impiego in pubblicità e nello spettacolo.

I ledwall e i maxischermi a Led sono oggi praticamente indispensabili nello spettacolo

- accensione istantanea e anche in situazioni ambientali difficili ( temperature molto basse , anche -35° ) : i led non presentano ritardi nell'accensione , come nelle lampade fluorescenti o in quelle ai vapori di sodio e ioduri metallici e questo determina un maggiore comfort nelle applicazioni tradizionali e una differenza sostanziale nell'impiego in quelle applicazioni dove sono richieste variazioni nel tempo ( scenari , effetti di luce , spettacoli , ecc ). Un vantaggio simile si presenta anche relativamente alle condizioni di impiego , perché i Led non presentano gli svantaggi tipici di accensione delle lampade fluorescenti.

- altri vantaggi ambientali , oltre al già citato grande risparmio energetico e quindi riduzione di emissione di CO2 , sono l'assenza di sostanze inquinanti o pericolose come il mercurio e di componenti IR e UV nella luce emessa

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Libri di Controlli Automatici e Sistemi di Controllo : recensioni e dove acquistarli

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