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Raddrizzatore ad una semionda con diodo

I circuiti raddrizzatori sono quei circuiti che trasformano un segnale sinusoidale (ovvero corrente alternata) fornito in entrata ,in un segnale non più alternato ma con un segno solo negativo o positivo(tensione unidirezionale pulsante) in uscita.

Esistono due tipi di raddrizzatori:

I circuiti raddrizzatori sono quelli atti a rendere unidirezionale la corrente da fornire ad un carico partendo da un segnale alternato in ingresso.

Si dividono fondamentalmente i raddrizzatori ad una semionda e a doppia semionda.

-Ad una semionda quando si sfruttano le semionde o negative o positive del segnale d’entrata avendo in uscita un segnale composto da semionde o positive o solo negative intervallate tra loro da uno spazio a tensione zero lungo quanto la semionda mancante.

-Ad una semionda : lascierà passare solamente le semionde positive o negative a seconda del verso di connessione del diodo raddrizzatore utilizzato.

-A due semionde quando si sfruttano del segnale d’entrata tutte le semionde sia positive che negative fornendo un segnale d’uscita composto da semionde o solo positive o solo negative senza intervalli di tempo. Il circuito che ci permette di avere un segnale a due onde è il ponte di Graetz usato negli alimentatori.

-A due semionde : lascierà passare sia le semionde positive che quelle negative ribaltate di segno.

In questo caso la frequenza del segnale raddrizzato avrà un valore doppio rispetto all’originario.

Per questo tipo di raddrizzamento si usano o il ponte a diodi di Graetz o un raddrizzamento a doppia semionda con due diodi.

Raddrizzatore 1 Raddrizzatore 3 Raddrizzatore 2(nelle immagini riportate non ho considerato la tensione di soglia dei diodi la quale influisce sul segnale d’uscita)

Le immagini di cui sopra riportano il segnale sinusoidale di ingresso oscillante rispetto al valore zero e le forme d’onda d’uscita nel raddrizzatore ad una e a due semionde rispettivamente.

Le immagini sono indicative e non contemplano il valore tipico di soglia dei diodi al silicio utilizzati circa 0,5V che comporteranno una riduzione del valore di picco della forma d’onda d’uscita .

Tale riduzione sul valore di picco d’uscita sarà di 0,5V nel caso di raddrizzamento ad una semionda e di 0,5V x 2 nel caso di raddrizzatore a doppia semionda.

L’errore compiuto trascurando tale tensione sarà tanto meno trascurabile tanto più bassa sarà la tensione da raddrizzare rispetto ai 0,5 V o al 1 V relativi al tipo di raddrizzamento utilizzato.

Questo tipo di circuito è comunemente utilizzato negli alimentatori.

Nell’esperienza effettuata abbiamo realizzato un raddrizzatore ad una semionda utilizzando:

-Un oscilloscopio , che è uno strumento in grado di visualizzare tramite un tubo a raggi catodici l’andamento del segnale nel tempo.

-Un generatore di segnale usato per generare un segnale sinusoidale ad 1Khz 5 Volts picco picco.

-Un diodo 1n4007 ,una resistenza da 330 ohm, una breadboard sulla quale abbiamo montato il circuito.

Raddrizzatori 2

Una volta assemblato il circuito che può essere definito come un quadripolo(ovvero una rete elettrico comunque complessa in grado di scambiare segnali col mondo esterno mediante due morsetti d’entrata e due d’uscita) abbiamo alimentato il circuito con un segnale sinusoidale di ampiezza 5v e con frequenza ad 1khz e dopo abbiamo collegato ai capi della resistenza l’oscilloscopio(CH2),il quale ci ha mostrato un segnale ad una semionda con lo stesso periodo (più o meno) e ci siamo calcolati la sua ampiezza moltiplicando i volt su divisione con la l’altezza dell’onda in centimetri ovvero 1 V/DIV*2=2V.

Il circuito in esame nell’esperienza corrisponde a quello riportato nella figura superiore.

Può tranquillamente considerarsi un quaripolo ovvero una rete elettrico comunque complessa in grado di scambiare segnali col mondo esterno mediante due morsetti d’entrata e due d’uscita.

Abbiamo connesso i componenti e i canali dello’oscilloscopio come in figura onde poter monitorare e rapidamente confrontare il segnale in ingresso con quello in uscita.

Il generatore erogava 5 Volts picco picco ad una frequenza di 1 KHz.

Entrambe le misure dei segnali d’ingresso e d’uscita sono state effettuate con i due canali dell’oscilloscopio utilizzando sonde 1/1, essendo la scala di misura di ambedue i canali 1V/Div ho misurato un’ampiezza picco picco d’ingresso di 5 Divisioni x 1 Vdiv= 5Vpp , mentre per il segnale d’uscita l’ampiezza picco picco era di due sole divisioni in quanto 2 Divisioni x 1Vdiv =2 Vpp in quanto la caduta di tensione dovuta alla soglia del diodo al silicio ha portato ad un abbassamento del 20 % della tensione della semionda raddrizzata.

Se il segnale in ingresso fosse stato da 50 Volts picco picco la riduzione del valore sarebbe stata del 2 %.

Il funzionamento del circuito è semplice perché in entrata noi abbiamo una tensione alternata della quale solo la parte polarizzata direttamente col diodo passa,ovvero quando sull’anodo del diodo vi c’è il positivo di Vi la corrente passa vedendo tramite l’oscilloscopio una semionda positiva,mentre quando sull’anodo del diodo vi c’è il negativo di Vi la corrente non passa vedendo tramite l’oscilloscopio non una semionda negativa ma una retta con tensione pari a 0V.Naturalmente nel circuito se mettessimo il diodo al contrario vedremmo in uscita solo un segnale a semionda negativa.

Possiamo notare che confrontando il segnale d’entrata(CH1) con il segnale d’uscita(CH2) le ampiezze di questi due segnali non saranno affatto uguali perché nel primo avremo un segnale di ampiezza pari a 5V,mentre nel secondo avremo un segnale che sarà uguale a 5V diviso 2 meno 0,5 , perché dei 5V d’ingresso 2,5 erano positivi e 2,5 erano negativi,ed escludendo quelli negativi,in uscita avevamo 2,5-0,5 dove 0,5 rappresenta la tensione di soglia del diodo. Per capire meglio questo fatto basta immaginare il diodo come un generatore di tensione continua con valore pari alla tensione di soglia e con in serie una resistenza pari alla resistenza interna del diodo, che si oppone alla tensione di 2,5V,infatti come ho detto prima questo circuito può essere visto come un quadripolo,ed una caratteristica del quadripolo è proprio quella che il segnale d’entrata non sarà mai uguale a quello d’uscita. Una piccola osservazione va fatta anche sul ponte di Graetz il quale fornisce in uscita un segnale a doppia semionda uguale alla semionda o positiva o negativa(dipende da quale si utilizza) meno la tensione di soglia di ben due diodi,perciò se si lavora con piccole tensioni la differenza tra la tensione d’ingresso con quella d’uscita sarà grossolana,mentre se lavora con tensioni grandi la differenza sarà perlopiù influente (lo stesso ragionamento lo possiamo fare con il raddrizzatore a una semionda).

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Curva caratteristica di un Diodo

MATERIALI ADOPERATI:

-2 multimetri digitali utilizzati come voltimetro (per misurare la tensione ai capi del diodo) e come milliamperometro collegato in serie alla resistenza.

-Un alimentatore per alimentare il circuito.

-Una resistenza 1Kohm.

-Diodo IN4007 fa parte di una famiglia di diodi al silicio, il loro impiego più comune è nel raddrizzamento delle tensioni alternate.

-Una breadboard sulla quale abbiamo montato il circuito.

Diodo

Dopo aver assemblato il circuito, variate la tensione E da 1V fino a 14V.(aggiungendo ad ogni misurazione 1V)

Curva Diodo

Dopo aver fatto 14 misurazioni disegnate su carta millimetrata la curva caratteristica del diodo mettendo sull’ asse delle Y la corrente e sull’asse X la tensione ai capi del diodo.

Dalla figura riportata qui sopra possiamo dedurre quindi che:

1-Se la tensione ai capi del diodo non supera la sua tensione di soglia esso idealmente non dovrebbe condurre ma nella realtà anche se di pochissimo conduce corrente,nei diodi al silicio la soglia varia tra i 0,5V ed i 0,7V.

2-Quando la tensione ai capi del diodo è superiore a quella di soglia avremo un incremento esponenziale della corrente che aumenterà alle piccole variazioni di tensione,lo possiamo notare dai dati riportati in tabella i quali mostrano che al variare della tensione dell’alimentatore avremo ai capi del diodo una variazione di tensione che va dai 570(mV) ai 731(mV),mentre la corrente varia dai 60(mA) ai 1395(mA).

3-La tensione Vz è la tensione di breakdown la quale indica il valore massimo della tensione che può supportare il diodo se viene polarizzato inversamente,una volta superata questa soglia il diodo si rompe conducendo corrente.

 

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Diodo Zener

Il diodo Zener è un componente elettronico che viene utilizzato come stabilizzatore di tensioni continue, dove il valore di quest’ultima è uguale alla tensione di Zener. Questo diodo e diverso da quello classico perché per utilizzarlo come si deve dobbiamo polarizzarlo inversamente e cioè: collegando il positivo dell’alimentazione all’anodo del diodo ed il suo catodo al negativo. Per permetterci di avere in uscita una tensione continua costante esso utilizza l’effetto breakdown con il quale tutta la tensione in eccesso(cioè maggiore alla tensione di Zener) viene dissipata in calore

In quest’esperienza verificheremo la caratteristica del diodo Zener assemblando un semplice circuito,utilizzando:

-Due multimetri digitali con i quali misureremo la tensione d’uscita ed anche la corrente.

-Un diodo Zener con tensione Zener di 5V

-Tre resistenze di cui una da 1Kohm utilizzata come carico e due de 330 e 470 utilizzate per dissipare la corrente in eccesso sull’uscita dello Zener.

-Un alimentatore con display analogico.

-Una breadoard sulla quale abbiamo montato il circuito,e vari cavi per collegare gli strumenti al circuito.

Successivamente realizzate 4 circuiti simili tra loro:

1-Il primo è un nostro esperimento perché vogliamo osservare come si comporta il diodo Zener qundo viene polarizzato direttamente come un diodo normale.

 

ZenerTabella zener

2-Nel secondo polarizziamo il diodo inversamente utilizzando la resistenza R (330ohm) come dissipatore. zener 2tabella zener 23-Nel terzo caso sostituiamo semplicemente la resistenza R con un’altra resistenza di valore più grande cioè 470ohm.

zener 2Tabella zener 3

4-Nell’ultimo caso levate la resistenza RC per avere in uscita una misura più precisa.

Immagin4terye

Tabella zener 4Finite le misurazioni con questi vari circuiti possiamodire che:

1-Se la tensione E-VR non è maggiore alla tensione del diodo Zener esso si comporterà come un interruttore aperto anche se passa soltanto una piccolissima quantità di corrente.

2-Se invece E-VR è superiore alla tensione di Zener avremo ai capi del diodo una tensione continua costante il cui valore sarà uguale alla tensione di Zener.

3-Senza la resistenza R rischieremmo di bruciare il diodo,perché il suo compito è quello di dissipare in calore tutta la corrente in eccesso che arriva sullo Zener.

4-Utilizzando il diodo Zener come un normale diodo abbiamo osservato che il suo comportamento è analogo ad esso.

 

 

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Intregratore con Operazionale

Lo schema elettrico di un circuito integratore è il seguente:

Integratore

possiamo notare la presenza del condensatore C il quale riporta indietro parte della tensione di uscita. In pratica il circuito funziona nel seguente modo. Partendo dall’istante iniziale in cui il condensatore è scarico, applichiamo in ingresso una certa tensione Vi che ritroviamo in uscita sfasata e amplificata; poiché l’ingresso invertente si trova a massa virtuale, cioè non assorbe corrente e la sua tensione rispetto a massa è zero, il condensatore C si carica seguendo la Vu, che è sfasata di 180° rispetto alla Vi  ma a corrente costante, infatti tutta la corrente in ingresso percorre sia il resistore R che il condensatore C, poiché l’ingresso invertente è a massa virtuale e non assorbe corrente. Il tempo i cui il condensatore si carica è t = RC, cioè raggiunge la carica a piena tensione nel tempo t, sempre che il segnale vi si mantenga costante fino a farlo caricare. Tuttavia per il corretto funzionamento del circuito, occorre fare in modo che il condensatore non si carichi mai, cioè il segnale in ingresso deve avere un periodo più piccolo di t, altrimenti, uno volta carico, il condensatore si comporta come un circuito aperto, che non assorbe corrente, quindi ha impedenza infinita, e il guadagno dell’amplificatore operazionale sarebbe al massimo, perché viene meno la reazione negativa del condensatore, e quindi l’amplificatore va in saturazione smettendo di funzionare da integratore.

Se applichiamo in ingresso un segnale di tipo rettangolare, come il seguente, avente un periodo T minore di t, otteniamo che Vu = Vc, secondo il seguente diagramma:

Integratore grafico

Il diagramma superiore rappresenta il segnale di ingresso, che è di tipo rettangolare, e quello inferiore il segnale di uscita a regime, cioè trascurando l’istante iniziale. In pratica all’istante t=0 il condensatore è carico ad un certo valore vu0; il segnale vi , durante il semiperiodo positivo dell’onda rettangolare, fa sì che il condensatore si carichi con tensione negativa, quindi la tensione del condensatore decresce, fino a raggiungere il valore massimo negativo, che abbiamo detto, deve essere inferiore alla saturazione; invertendo ora il segnale di ingresso, che diventa negativo, il condensatore è costretto prima a scaricarsi e poi a caricarsi con segno contrario, cioè positivo. Notiamo che partendo da una forma d’onda di tipo rettangolare abbiamo ottenuto una forma d’onda di tipo triangolare, della stessa frequenza del segnale di ingresso.

Per evitare che l’amplificatore vada in saturazione alle basse frequenze, si mette in parallelo al condensatore C un resistore R2, secondo il seguente schema:

integratore reale

Dallo schema, possiamo notare, che alle basse frequenze, essendo il periodo della tensione di ingresso abbastanza lungo, il condensatore si carica al valore massimo e quindi non assorbe più corrente, e si comporta come una impedenza infinita, di conseguenza il guadagno diventa:

Av = – R2/R1

Questo tipo di integratore, viene detto integratore limitato. Sapendo che la frequenza di taglio(ft) deve essere minore di fs 10Khz abbiamo scelto il valore di ft, mettendola a 5000 hz,successivamente abbiamo calcolato i valori della resistenza e del condensatore, utilizzando la formula inversa di ft.

Ft=1/(2*3,14*R1*C)

R1C=1/2*3,14*ft)=0,000031

conoscendo il valore di R1C possiamo trovarci il valore dei due componenti,basterà soltanto rispettare la seguente relazione:

R1C=0,000031

Detto ciò abbiamo assegnato ad :

R1=31Kohm

C=1nF

R2=1Kohm valore scelto per convenzione

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Protocolli tra TX ed RX

Come fanno due microcontrollori (TX ed RX)  ad accordarsi tra loro sulla lunghezza del messaggio? Per farlo utilizziano un protocollo ovvero un accordo tra il trasmettitore ed il ricevitore. Un metodo con il quale il trasmettitore dice al ricevitore quanto è lungo il dato è quello di mettere all’inizio un numero uguale alla lunghezza del dato. Naturalmente quando questo numero è maggiore di 0 vuol dire che il trasmettitore INVIA un dato, mentre quando questo numero è uguale a 0 vuol dire che il trasmettitore non sta inviando nulla. Il trasmettitore non invia un dato ma un pacchetto di dati chiamato Frame  che possiede una lunghezza massima e minima (la minima non è per forza uguale a 0). Un altro metodo con cui possiamo dire al ricevitore quanto è lungo il pacchetto è quello di scrivere alla fine del messaggio un carattere che non viene utilizzato per indicare la fine del messaggio. Ipotizziamo di voler inviare un messaggio di testo come “ciao” ad un ricevitore, accanto a questo messaggio inseriamo il simbolo “§” (il simbolo che va preso non deve essere utilizzato), perciò il ricevitore riceverà questo messaggio “ciao§” fatto ciò il trasmettitore potrà inviare un nuovo messaggio che si concluderà sempre con “§”. Naturalmente il simbolo che si utilizza deve essere inserito in codice ascii. Una volta si utilizzavano dei codici che andavano dal numero decimale 0 al numero decimale 32 e li possiamo osservare nella tabella. Infatti se volevamo inviare un messaggio di testo bisognava inserire :

“02” + (inizio testo)”messaggio” + “03”(fine testo) + “04”(fine trasmissione)

.Tabella codice ASCII

 

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Multiplexer

Ipotizziamo di voler convertire più di un segnale analogico con un adc la domanda che sorge spontanea e come?

Una soluzione può essere quella di mettere un adc per ogni segnale,ma ciò comporta la costruzione di un circuito molto dispendioso e complesso.

L’alternativa a quest’idea è la multiplazione analogica o digitale:

–Il multiplatore analogico (Amux) può essere visto come un commutatore unipolare a più vie,in cui il polo comune è connesso all’ingresso di un buffer con elevata impedenza d’ingresso e bassa impedenza d’uscita.

Multiplazione

 

           CT1            CT2              CS
             0              0              S0
             0              1              S1
             1              0              S2
             1              1              S3

 

Questo è un semplice esempio di Amux a 4 canali,dall’immagine si capisce che al suo interno è come se ci fosse un interruttore che sceglie a quale canale collegarsi,per controllare questo “selezionatore” utilizziamo 2 piedini dell’ Amux il piedino CT1 ed il piedino CT2 con i quali potremo scegliere da quale canale prendere il segnale,inoltre,possiamo utilizzare anche il pin ENABLE che ci permetterà di attivare o disattivare il nostro amux di solito con 1è attivato e con 0 è disattivato.

La struttura circuitale in cui si inserisce l’Amux può avere, essenzialmente, tre varianti:

1° soluzione prevede l’uso di un solo convertitore A/D avente in ingresso l’uscita dell’Amux. Dopodichè ci sarà un sistema di controllo che gestirà il tutto, anche il tempo con cui il multiplexer dovrà cambiare canale.

2° soluzione è uguale alla prima,ma si differenzia per una semplice aggiunta,perché tra l uscita dell’Amux e l’ingresso del convertitore A/D abbiamo un S/H,controllato anch’esso dal sistema di controllo che avrà il compito di farlo lavorare in sincronia con il multiplexer.

3° soluzione consiste nell’avere la configurazione una configurazione simile alla 1°, ma con qualche aggiunta, infatti, all’ingresso di ogni canale dell’ Amux sono collegati degli S/H controllati come al solito dal sistema di controllo. Questo metodo viene di solito impiegato in sistemi ad alta velocità quando è necessario campionare simultaneamente segnali in un determinato momento.

 

– Il multiplatore digitale (Dmux). Con la diffusione dei convertitori A/D integrati a basso costo, e con l’esigenza di trattare segnali a frequenza elevata hanno determinato l’affermarsi della tecnica di multiplazione digitale, in cui ciascun canale analogico viene trattato da un proprio ADC. Le   uscite digitali dei vari convertitori vengono poi multiplate mediante un multiplatore digitale (Dmux) comandato dall’unità centrale e convogliate sul bus dati.

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Codifica

I dati digitali forniti dai convertitori A/D sono caratterizzati, oltre che dal numero di bit, anche da altri parametri, quali il codice, il formato ed i livelli di tensione.

Il codice più frequentemente utilizzato nella conversione di segnali unipolari(cioè o positivi o negativi) è il binario naturale espresso così:

es:adc a 4 bit

USCITA = N*23 + N*22 + N*21 + N*20

N potrà assumere solamente 2 valori o 1 o 0.

In questo modo avremo il valore binario 1111 che corrisponderà a 15 ed il valore binario 0001 che corrisponderà ad 1. Tuttavia il valore di tensione effettivamente corrispondente a questi numeri dipende dal fondo scala nominale fissato per il convertitore, se per esempio si fissa il valore di fondo scala a 10,24 V il livello di quantizzazione sarà uguale a 10,24/16=640 mV ed il valore corrispondente allo stato 1111 risulta 9,6 V.

La codifica binary-coded decimal (BCD) è un modo comunemente utilizzato in informatica ed elettronica per rappresentare le cifre decimali in codice binario, ed è di solito usata negli strumenti di misurazione.

Un altro tipo di codice è il codice Gray prevede che si passi da un intero al successivo modificando un solo bit; questa caratteristica (detta a cambio 1) semplifica e rende meno soggette ad errori le operazioni di dispositivi elettronici che devono scorrere informazioni organizzate in sequenze. Evidentemente la codifica di Gray risulta poco sensata per interi da sottoporre ad operazioni come somme o prodotti.

         Valore reale          BCD   8421          Binario Puro              GRAY
               1          0000   0001              0001              0001
               2          0000   0010              0010              0011
               3          0000   0011              0011              0010
               4          0000   0100              0100              0110
               5          0000   0101              0101              0111
               6          0000   0110               0110              0101
               7          0000   0111              0111              0100
               8          0000   1000              1000              1100
               9          0000   1001              1001              1101
               10          0001   0000              1010              1111
               11          0001   0001              1011              1110
               12          0001   0010              1100              1010
               13          0001   0011              1101              1011
               14          0001   0100              1110              1001
               15          0001   0101              1111              1000
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Quantizzazione

L’adc non fa altro che convertire un segnale entrante analogico in un segnale digitale. Il processo di digitalizzazione dei segnali introduce come prima cosa il concetto di quantizzazione, infatti,  mentre il segnale entrante può assumere infiniti valori nel tempo, il segnale uscente può assumere solamente un numero di valori limitati dai bit con cui lavora il convertitore.

Possiamo dire che la quantizzazione è la divisione in fasce del segnale entrante, e la loro ampiezza si chiama livello di quantizzazione, se avessimo un segnale da campionare con range 0-5V, ed un convertitore ad 8 bit il livello di quantizzazione sarebbe uguale a:

LDQ = ( Vmax – Vmin ) / 2n = ( 5 – 0 ) / 28 = 5 / 256 = 0,019 V = 19 mV  

Perciò finchè in ingresso avremmo un segnale con tensione pari o inferiore a 19 mV, il convertitore ci restituirà in uscita un segnale pari al seguente numero binario 00000000, con Vin compresa tra 20 mV e 38 mV avremmo una Vout pari al seguente numero binario 00000001. Tutto ciò ci dimostra come il segnale che uscirà dall’adc non sarà MAI la conversione perfetta del segnale entrante. Due caratteristiche dei convertitori sono l’errore di quantizzazione,pari alla metà di un livello di quantizzazione, e la risoluzione, che indica qual è la minima variazione del segnale di ingresso che può essere rivelata in uscita.

Quatizzazione

freccia a sinistra freccia a destra

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Sample and Hold (prelevare e mantenere)

A volte nei convertitori ci possono essere dei problemi nella fase di campionamento,soprattutto quando il segnale entrante varia più velocemente del tempo di campionamento del nostro adc, in tal caso alla sua uscita non avremo la conversione desiderata e per questo motivo è stato creato il Sample-Hold, un circuito composto da 2 amplificatori operazionali in configurazione di inseguitore (buffer), da un condensatore C e da una tensione di controllo Vc.

Sample hold

Il funzionamento di questo circuito si può dividere nelle due fasi di Vc:

  1. Quando Vc è a livello logico 1 (interruttore chiuso) il condensatore C si caricherà fino a raggiungere un valore di tensione pari a Va,inoltre il tempo di carica sarà molto ridotto perché l’unica resistenza in gioco è quella all’uscita dell’operazionale che ha un valore molto piccolo.
  2. Quando Vc è a livello logico 0 (interruttore aperto) il condensatore C si scaricherà all’ingresso del nostro convertitore.

Detto ciò possiamo definire il Sample Hold come un circuito di memorizzazione dati che permette all’adc di lavorare con i suoi tempi.Per sapere se utilizzare o no il circuito basterà verificare la seguente condizione:

 dV / dt   <= [ ( Vmax – Vmin ) / 2n ] * 1 / Tconv

freccia a sinistra freccia a destra