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Overview

Fonte: Ali Bazzi, Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Università del Connecticut, Storrs, CT.

La macchina CC funziona con correnti e tensioni CC rispetto a una macchina CA, che richiede correnti e tensioni CA. Le macchine DC sono state le prime ad essere inventate e utilizzano due campi magnetici controllati da correnti CC. La stessa macchina può essere facilmente riconfigurata per essere un motore o un generatore se è disponibile un'eccitazione di campo appropriata, poiché la macchina DC ha due campi chiamati campo e armatura. Il campo è solitamente sul lato dello statore e l'armatura è sul lato del rotore (opposto o dentro-fuori rispetto alle macchine CA). L'eccitazione del campo può essere fornita da magneti permanenti o da un avvolgimento (bobina). Quando la corrente viene applicata all'armatura o alla bobina del rotore, passa dalla sorgente DC alla bobina attraverso spazzole fisse e collettori rotanti montati sul rotore rotante toccando le spazzole. Quando la bobina dell'armatura del rotore è un anello che trasporta corrente ed è esposta a un campo esterno dallo statore o dal campo magnetico, viene esercitata una forza sul loop. Poiché il loop è "appeso" su entrambi i lati del motore utilizzando cuscinetti, la forza produce una coppia che ruoterà l'albero del rotore piuttosto che spostarlo in qualsiasi altra direzione.

Questa rotazione fa sì che i campi magnetici si allineino ma allo stesso tempo, gli anelli di scorrimento cambiano lato sulle spazzole, o "pendolarismo", e questo è ciò che è noto come il processo di commutazione. Quando si verifica questa commutazione, il flusso di corrente nella bobina del rotore viene invertito e i campi magnetici si oppongono nuovamente l'un l'altro, causando un'ulteriore coppia nello stesso senso di rotazione. Questo processo continua e l'albero del rotore gira fornendo l'azione del motore. Nel funzionamento del generatore, la rotazione meccanica viene fornita all'albero del rotore e la corrente fuoriesci dal rotore dopo che è stata indotta a causa di una bobina in movimento sotto un campo magnetico.

Le macchine discusse in questo esperimento hanno un avvolgimento di campo piuttosto che magneti permanenti. Un processo di commutazione che è fondamentale nel funzionamento della macchina DC utilizza collettori rotanti e spazzole per trasferire energia dal rotore (armatura) al mondo esterno poiché il rotore sta girando e con fili rotanti li torcerebbe e li romperebbe. Tuttavia, queste spazzole e collettori rotanti presentano importanti inconvenienti di affidabilità in quanto richiedono una manutenzione regolare, la sostituzione della spazzola, la pulizia e possono causare scintille. Ciò ha portato alla sostituzione della maggior parte delle macchine CC con macchine CA che non hanno questi problemi, e le restanti macchine CC hanno per lo più eccitazione del campo a magneti permanenti, come nei giocattoli e nei semplici utensili a bassa potenza. Le macchine CA denominate macchine CC brushless (o BLDC) sono macchine CA che utilizzano una sorgente CC e un inverter elettronico di potenza per ottenere tensioni CA dall'inverter.

L'obiettivo di questo esperimento è quello di testare due principali configurazioni di macchine DC: shunt e serie. Le prove hanno lo scopo di stimare il flusso residuo nella macchina e di studiare le caratteristiche di carico e di carico delle diverse configurazioni.

Principles

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Esistono quattro configurazioni principali di macchine CC: eccitate separatamente, shunt, serie e composto. Queste configurazioni sono classificate in base alla posizione dell'eccitazione del campo, dove il campo è uno dei campi magnetici necessari per far funzionare la macchina come motore o generatore. Poiché l'avvolgimento del campo è alimentato da una sorgente CC, tale sorgente può essere la stessa di quella che alimenta l'armatura del motore CC o può essere separata. Quando è separata, la macchina viene definita "eccitata separatamente" e, in caso contrario, la posizione dell'avvolgimento del campo nel circuito del motore determina il tipo di configurazione di cui si tratta. Se l'avvolgimento del campo è posto in parallelo con l'avvolgimento dell'armatura per vedere la stessa fonte di tensione che alimenta l'armatura, la macchina è nella configurazione parallela o di shunt.

Se l'avvolgimento del campo è in serie con l'avvolgimento dell'armatura in modo che abbiano lo stesso flusso di corrente, la macchina è nella configurazione di serie. Se sono disponibili entrambi gli avvolgimenti, ovvero vengono utilizzati avvolgimenti di shunt e di serie, la macchina è nella configurazione composta. La configurazione eccitata separatamente è indipendente dall'armatura e può essere regolata per supportare vari carichi attraverso il controllo automatico. Tuttavia, le configurazioni di shunt, serie e compound assorbono corrente dalla stessa sorgente di armatura e sono quindi influenzate dalle variazioni di carico e tensione dell'armatura.

Senza eccitazione di campo, il magnetismo residuo dovuto al campo magnetico residuo (λR) nella macchina funge da fonte per l'eccitazione di campo minore. Questo può essere espresso come un termine aggiuntivo nell'equazione posteriore e.m.f. (EA) "λRω " che viene aggiunta a "KIFω" dove ω è la velocità meccanica della macchina. Per una macchina CC composta, EA è quindi,

EA= KshIFshω+ KseIFseω+ λRω, (1)

dove"se" sta per serie,"sh" sta per shunt, e i termini K sono costanti di campo che mettono in relazione la corrente di campo e la velocità meccanica con la parte posteriore e.m.f. Ricorda che i valori K sono costanti fino a quando non viene raggiunto un limite di saturazione, dopo di che EA si satura a un certo valore.

Idealmente, si presume che λR sia zero, ma questo non è realistico. Per determinare λR, una macchina DC viene eseguita come un generatore senza shunt o eccitazione in serie e senza carico. Pertanto, la tensione terminale misurata VA=EA. Se si misura ω, si può determinare λR. EA è una tensione caratteristica delle macchine DC, una tensione che contrasta la tensione di armatura per limitare la corrente nella macchina. Nel funzionamento del motore, l'EA è inferiore alla tensione dell'armatura e l'EA più alto porta a un minore assorbimento di corrente dell'armatura. Dipende dalla velocità dell'albero come mostrato nell'equazione 1, e quindi avere un EA più alto provoca un funzionamento a velocità più elevata. Nelle applicazioni del generatore, EA è la tensione indotta dalla rotazione di un campo magnetico sull'armatura rispetto al campo.

Per una macchina di shunt, l'equazione 1 è ancora valida, ma IFse è impostato su zero; per una macchina in serie, l'equazione 1 è ancora valida, ma IFsh è impostato su zero. Le macchine composte hanno sia lo shunt che la serie collegati e possono essere in forma lunga o corta. Quando entrambi i campi esistono, il loro effetto può sommarsi o opporsi l'un l'altro come visto dall'armatura, e queste configurazioni sono denominate cumulative o differenziali. Queste configurazioni possono essere ottenute variando la posizione del campo di shunt prima o dopo il campo di serie e facendo in modo che le correnti di campo entrino o lascino i rispettivi punti. La Fig. 1-4 mostra tutte e quattro le configurazioni.

Figure 1
Figura 1: Schema di una configurazione composta lunga cumulativa.

Figure 2
Figura 2: Schema di una configurazione composta corta cumulativa.

Figure 3
Figura 3: Schema di una configurazione composta lunga differenziale.

Figure 4
Figura 4: Schema di una configurazione differenziale a mescola corta.

L'obiettivo di questo esperimento è quello di confrontare le relazioni di corrente, tensione e carico in serie e shunt di motori DC configurati. Poiché in questa dimostrazione è disponibile un solo alimentatore CC ad alta potenza, il funzionamento eccitato separatamente non è coperto. Per le configurazioni di shunt e serie, il motore principale del generatore DC è un motore sincrono che regola la sua velocità a 1800 RPM. Ogni volta che è necessaria una misurazione della corrente CC, come IA o IFsh, utilizzare il multimetro digitale in modalità corrente (assicurarsi che i terminali sul multimetro siano nella configurazione corrente).

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Procedure

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1. Test DC

  1. Con l'alimentatore CC a bassa potenza limitato a 0,8 A, collegare i terminali di alimentazione all'armatura della macchina CC.
  2. Registrare le letture della tensione CC e della corrente di alimentazione.
  3. Stimare la resistenza di ogni avvolgimento.
  4. Ripetere per gli altri avvolgimenti, campo di shunt e campo di serie, uno alla volta.
  5. Spegnere e scollegare l'alimentatore CC a bassa potenza.
  6. Impostare il reostato di campo incorporato sulla massima resistenza e misurarne la resistenza.
  7. Impostare il reostato di campo della serie (esterno) alla massima resistenza e misurarne la resistenza.

2. Configurazione del motore primario e magnetismo residuo

Il motore principale in questo esperimento è la macchina sincrona, che funziona come un motore che fa girare il rotore del generatore DC (armatura).

  1. Assicurarsi che l'interruttore di disconnessione trifase, l'interruttore del motore sincrono e l'interruttore del motore CC siano tutti spenti.
  2. Controllare che il VARIAC sia allo 0%.
  3. Collegare il VARIAC alla presa trifase e collegare la configurazione mostrata in Fig. 5.
  4. Verificare che l'interruttore "Start/Run" sia in posizione "Start".
  5. Accendere l'interruttore di disconnessione trifase.
  6. Accendere l'alimentatore CC ad alta tensione.
  7. Assicurarsi che tutte le connessioni siano chiare dai terminali di alimentazione.
  8. Premere il pulsante "V/I DIS" sull'alimentazione per visualizzare i punti di funzionamento di tensione e corrente. Regolare la manopola di tensione a 125 V.
    1. Non premere il pulsante di avvio.
  9. Premere il pulsante "Start" sul pannello di alimentazione CC.
  10. Aumentare lentamente l'uscita VARIAC fino a quando VAC1 legge 120 V.
  11. Quando il motore sincrono raggiunge una velocità stazionario, capovolgere l'interruttore Start/Run nella posizione Run.
  12. Misurare e registrare la velocità di rotazione utilizzando la luce stroboscopica e registrare VA.
  13. Spegnere l'alimentatore CC e riportare il VARIAC allo 0%.
  14. Ripristina l'interruttore "Start/Run" su "Start".
  15. Spegnere l'interruttore di disconnessione trifase.

Figure 5
Figura 5: Schema di come impostare il motore principale. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

3. Caratterizzazione del generatore di shunt DC

  1. Sul lato del generatore DC, collegare il campo di shunt in parallelo con il campo di armatura come mostrato in Fig. 6.
  2. Utilizzare il reostato incorporato per RFsh(ext)e utilizzare il multimetro come amperometro per misurare IFsh.
  3. Tenere aperto "S1" per un test a vuoto.
  4. Mantenere "RFsh(ext)" alla massima resistenza.
  5. Accendere l'interruttore di disconnessione trifase.
  6. Premere il pulsante "Start" sul pannello di alimentazione CC.
  7. Aumentare lentamente l'uscita VARIAC fino a quando VAC1 legge 120 V.
  8. Quando il motore sincrono raggiunge una velocità stazionario, capovolgere l'interruttore "Start/Run" nella posizione "Run".
  9. Misurare la velocità dell'albero utilizzando la tecnica della luce stroboscopica descritta altrove.
  10. Registrare VA in questa condizione di uscita a vuoto sul lato del generatore DC.
  11. Ridurre RFsh(ext) fino a quando la tensione generata a VA è di circa 150 V.
  12. Dopo quel punto, riduci "RFsh(ext)" in cinque passaggi quasi uguali fino a raggiungere la resistenza minima.
    1. Per ogni passaggio, misurare VA e IFsh.
  13. Lasciare RFsh(ext) al suo valore minimo.
  14. Spegnere l'alimentatore CC.
  15. Ridurre l'output VARIAC allo 0%.
  16. Spostare l'amperometro dalla misurazione IFsh alla misura IA.
  17. Riavviare il programma di installazione come descritto in precedenza.
  18. Impostare RL su 300 Ω e attivare "S1". Misura VA e IA.
  19. Disattiva "S1",imposta RL su 200 Ω, quindi attiva "S1". Misura VAe IA.
  20. Disattiva "S1",imposta RL su 100 Ω, quindi attiva "S1". Misura VAe IA.
  21. Spegnere l'alimentatore CC e impostare l'uscita VARIAC su 0%.
  22. Mantenere intatto il lato generatore sincrono della configurazione.
  23. Scollegare le connessioni del generatore DC.
  24. Ripristina l'interruttore "Start/Run" su "Start".
  25. Spegnere l'interruttore di disconnessione trifase.

Figure 6
Figura 6: Schema della configurazione del generatore DC di shunt. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

4. Caratterizzazione del generatore della serie DC

  1. Sul lato del generatore DC, collegare il campo di serie in serie con il campo di armatura come mostrato in Fig 7.
    1. Utilizzare il reostato esterno per RFse(ext).
    2. Usa il reostato incorporato come RL e averlo alla massima resistenza.
    3. Tenere aperto "S1" per un test a vuoto.
    4. Mantenere RFse(ext) alla massima resistenza.
  2. Accendere l'interruttore di disconnessione trifase.
  3. Premere il pulsante "Start" sul pannello di alimentazione CC.
  4. Aumentare lentamente l'uscita VARIAC fino a quando VAC1 legge 120 V.
  5. Quando il motore sincrono raggiunge una velocità stazionario, capovolgere l'interruttore "Start/Run" nella posizione "Run".
    1. Misura VA in questa condizione di uscita a vuoto sul lato del generatore DC.
  6. Attivare "S1"e ridurre RFse(ext) secondo necessità per vedere VAdiverso da zero.
  7. Varia RL in cinque passaggi quasi uguali fino a raggiungere l'impostazione del 50%, imposta su 300 Ω e attiva "S1". Misurare la velocità, VA, e IA.
    1. Disattiva "S1",imposta RL su 200 Ω, quindi attiva "S1". Misurare la velocità, VA, e IA.
    2. Disattiva "S1",imposta RL su 100 Ω, quindi attiva "S1". Misurare la velocità, VA, e IA.
  8. Spegnere l'alimentatore CC.
    1. Impostare l'output VARIAC su 0%.
    2. Mantenere intatto il lato generatore sincrono della configurazione.
    3. Scollegare le connessioni del generatore DC.
    4. Ripristina l'interruttore "Start/Run" su "Start".
  9. Spegnere l'interruttore di disconnessione trifase.
  10. Smontare tutti i fili e i contatori.

Figure 7
Figura 7: Schema della configurazione del generatore DC della serie. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Motori DC, apparecchiature di azionamento, che vanno dai piccoli giocattoli e utensili elettrici ricaricabili, ai veicoli elettrici. Queste macchine elettromeccaniche sono costituite da una bobina conduttiva interna, chiamata armatura, e da un magnete esterno, chiamato statore. Una sorgente DC fornisce corrente all'armatura attraverso uno slippering commutatore. Inducendo forza elettromagnetica e permettendo la rotazione del loop. L'entità della forza elettromagnetica dipende dall'angolo tra il campo magnetico e la bobina, creando fluttuazioni di coppia con la rotazione. Avvolgimenti multipli, distanziati attorno all'armatura, riducono al minimo le fluttuazioni di coppia e impediscono alla forma del commutatore di cortocircuitare l'alimentazione. Lo slippering del commutatore commutatore commuta periodicamente la direzione della corrente attraverso la bobina, impedendo ulteriormente l'allineamento dei campi magnetici. Questo video introduce le configurazioni dei motori CC e illustra la misurazione delle caratteristiche delle prestazioni del motore CC, ad esempio velocità, corrente e tensione con carico variabile.

Gli stater a magneti permanenti, nelle macchine DC sono i più comuni, tuttavia, quando il campo magnetico degli stater viene prodotto attraverso avvolgimenti del conduttore, le caratteristiche prestazionali, come la velocità e la coppia in uscita, possono essere modificate attraverso la progettazione del campo elettrico. Ad esempio, la velocità è correlata alla tensione sviluppata dal motore, chiamata forza elettromotore o EMF. Allo stesso modo, la coppia è proporzionale alla corrente. Queste caratteristiche variano a seconda del design del motore e influenzano il design del motore selezionato per determinate applicazioni. Le quattro configurazioni elettroniche di base delle macchine CC sono separatamente eccitate, shunt, serie e composto. I motori eccitati separatamente utilizzano alimentatori separati per il campo e l'armatura, consentendo un controllo indipendente per supportare carichi variabili. Nella progettazione dello shunt, la configurazione più comune, gli avvolgimenti di campo sono collegati parallelamente al carico dell'armatura, con un'alimentazione CC comune. Ciò fornisce velocità regolabile con carico variabile, utile nelle macchine utensili e nelle pompe centrifiche. Nella configurazione in serie, un alimentatore DC alimenta il campo e l'armatura in serie. Ciò offre una coppia di avviamento più elevata per superare i carichi interziali nelle apparecchiature, come treni, ascensori o paranchi. I motori di progettazione composta utilizzano circuiti di shunt e di serie sia per la regolazione della coppia di avviamento elevata che della velocità. Il campo di shunt potrebbe essere caricato prima o dopo il campo di serie. Ora che le configurazioni dei motori DC sono state delineate, verrà dimostrata l'analisi delle relazioni di corrente, tensione e carico nei motori DC shunt.

I dati raccolti nei test DC possono essere utilizzati per costruire modelli di circuiti equivalenti, se necessario. Prima di misurare le caratteristiche elettriche del motore CC, impostare l'alimentazione CC a bassa potenza su 0,8 ampere e collegare i terminali di alimentazione all'armatura della macchina. Quindi, registrare la tensione e la corrente di alimentazione. Quindi, utilizzare un multimetro per misurare la tensione e la corrente attraverso l'armatura, avvolgendo il campo di shunt e il campo di serie. Utilizzare i dati per stimare la resistenza in ciascun componente. Dopo aver misurato le caratteristiche di base del motogeneratore DC, impostare il reostato di campo integrato sulle impostazioni massime e misurarne la resistenza. Infine, impostare il reostato di campo della serie esterna al suo limite superiore e misurarne la resistenza.

Dopo i test del motore DC, viene utilizzata una macchina sincrona per ruotare l'armatura della macchina DC. Pertanto, la macchina CC viene eseguita come un generatore, senza eccitazione sul campo, quindi senza carico. In queste condizioni, la tensione del terminale è uguale a EMF. La velocità di rotazione del generatore viene misurata e utilizzata per calcolare il magnetismo trattenuto dall'armatura in assenza di eccitazione della bobina, chiamato magnetismo residuo. Innanzitutto, verificare che la disconnessione trifase, il motore sincrono e il motore CC siano tutti spenti. Quindi, collegare un piccolo pezzo di nastro al rotore esterno del motore DC. Dopo aver verificato che la variac sia impostata su zero percento, collegare la variac all'uscita trifase. Quindi, collegare la configurazione come mostrato. Quindi, verificare che l'interruttore di avvio della corsa sia nella posizione iniziale. Dopo le regolazioni alla variac, confermare che tutte le connessioni siano chiare dai terminali di alimentazione. Solo allora, accendere l'interruttore di disconnessione trifase. Quindi, accendere l'alimentatore CC ad alta tensione, premere il pulsante di visualizzazione VI per visualizzare la corrente di fine funzionamento e regolare la manopola di tensione a 125 volt. Non premere il pulsante di avvio prima di regolare la manopola di tensione. Premere il pulsante di avvio del pannello di alimentazione CC e accendere l'apparecchiatura. Quindi, aumentare lentamente l'uscita variac fino a quando la tensione del terminale legge 120 volt. Quando il motore sincrono raggiunge una velocità di rotazione in stato stazionario, ruotare l'interruttore di avvio per funzionare. Prestare attenzione ai cambiamenti del suono della macchina. Il suono della macchina diventa monotono allo stato stazionario. Utilizzare la luce stroboscopica per congelare il movimento del motore sincronizzando la velocità dello strobo con la velocità di rotazione del motore. Il nastro attaccato al rotore apparirà fermo quando la luce stroboscopica è sincronizzata. Verificare che questa velocità sia la velocità del motore aumentando lentamente la velocità dello strobo per sincronizzare la ventola alla velocità successiva più alta. Se corretto, questo sarà il doppio del primo tasso di sincronizzazione stroboscopico osservato. Questa sequenza di avvio verrà ripetuta prima di ogni successiva esecuzione del test. Dopo l'avvio, registrare la velocità di rotazione del motore e la tensione dell'armatura. Quindi utilizzare questi dati per calcolare l'intensità del campo magnetico residuo.

Le macchine CC sono utilizzate in una varietà di applicazioni. Una volta caratterizzati i parametri operativi di diverse macchine, possono essere scelti in base alle specifiche di progettazione per un particolare dispositivo. Il generatore DC può essere caratterizzato in varie configurazioni, come la configurazione shunt. Con l'interruttore S1 aperto, per nessun test di carico, le resistenze di carico terminali sul campo vengono regolate al massimo. Quindi, la velocità dell'albero e la tensione del terminale vengono registrate come descritto in precedenza. La resistenza allo shunt viene ridotta in cinque passaggi fino a raggiungere la resistenza minima. E la tensione e la corrente terminale attraverso il resistore di shunt misurate. Il motore può essere misurato con carichi simulati utilizzando resistenze di carico, seguendo lo stesso protocollo. Ogni tipo di generatore DC ha la propria uscita di corrente di tensione. I generatori di shunt possono fornire tensione per un'ampia gamma di carichi di corrente, mentre i generatori di serie forniscono una tensione crescente con il carico di corrente. In una varietà di applicazioni, in cui si preferisce una fonte di alimentazione wireless, come le protesi motorizzate, i motori CC sono l'attuatore preferito. Nelle protesi degli arti inferiori controllate neuralmente, i sensori di superficie o transdermici vengono utilizzati per inviare segnali alle articolazioni motorizzate nell'arto sostitutivo, proprio come in una gamba intatta. La flessione del cancello e del piede sono controllate in modo più naturale e intuitivo di quanto sarebbe possibile utilizzando una sostituzione rigida dell'arto.

Hai appena visto l'introduzione di Jove ai motori DC. Ora dovresti capire come funziona un motore DC e come caratterizzare i suoi parametri. Grazie per l'attenzione.

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Results

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Gli avvolgimenti di serie in genere trasportano una corrente elevata nominale alla corrente nominale dell'armatura della macchina, poiché sia gli avvolgimenti di serie che quelli di armatura sono in serie. Pertanto, gli avvolgimenti di serie dovrebbero essere dell'ordine di un mΩ a pochi Ω. Gli avvolgimenti di shunt, d'altra parte, dovrebbero attingere corrente minima dalla fonte che li alimenta insieme all'armatura della macchina e, quindi, avere grandi valori di resistenza da decine a centinaia o addirittura migliaia di Ω.

Il residuo λR può essere stimato misurando la tensione di armatura senza carico. Poiché questa è una condizione a vuoto, la tensione posteriore e.m.f. e l'armatura sono le stesse, e la e.m.f. posteriore (EA) è una funzione di λR tale che EA=If λRωm dove If è la corrente di campo e ωm è la velocità meccanica.

Ogni tipo di macchina ha la propria curva tensione-corrente o coppia-velocità. Il vantaggio dei generatori di shunt è che possono fornire tensione senza avere alcun carico fino a pieno carico, mentre i generatori di serie sono caratterizzati dal non essere in grado di fornire alcuna tensione a meno che non ci sia un carico.

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Applications and Summary

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Le macchine CC sono significativamente meno comuni di quanto non fossero prima dell'invenzione dell'induzione AC e delle macchine sincrone. Rimangono comuni in semplici applicazioni a bassa potenza come giocattoli, piccoli robot e apparecchiature legacy. Le macchine CC a magneti permanenti, che utilizzano abbondanti magneti non in terre rare, sono più comuni delle loro parti di shunt e di serie a causa dell'eccitazione più semplice, specialmente nelle applicazioni a basso costo e bassa complessità.

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