unità B2 - Strumenti di misura per grandezze elettriche

Premessa: La trattazione dei primi due paragrafi si discosta leggermente da quella del libro di testo. Sorvoleremo sugli argomenti del terzo paragrafo - gli strumenti analogici - perché in questo corso utilizzeremo esclusivamente strumenti digitali.

Prima di esaminare gli strumenti e i metodi per le misure di grandezze elettriche è bene definire le grandezze elettriche principali, cioè:

• carica
• corrente
• tensione

La carica elettrica è una proprietà della materia, il suo simbolo è Q e la sua unità di misura è il Coulomb (simbolo C).

La materia è formata di atomi composti da:

• protoni, che hanno massa e carica positiva
• neutroni, che hanno massa ma non possiedono carica
• elettroni, con massa trascurabile e carica negativa

La figura¹⁾ seguente mostra un atomo di elio.

La carica di un elettrone è molto piccola e vale `e=1,6*10^-19C`, quella di un protone ha lo stesso valore ma segno opposto.

Normalmente un corpo non possiede carica perché gli atomi di cui è composto presentano lo stesso numero di protoni e di elettroni, ma può diventare carico acquistando o cedendo elettroni. Un corpo ha carica:

• positiva, quando il numero di elettroni è minore di quello dei protoni
• negativa, quando il numero di elettroni è maggiore di quello dei protoni

La carica elettrica non viene misurata direttamente con uno strumento; il suo valore è ricavato misurando altre grandezze ed applicando delle formule.

La carica è una grandezza particolarmente importante nello studio dei condensatori.

Premessa: per semplicità consideriamo solo la corrente elettrica nei metalli. E' il caso più comune - quello dei circuiti elettrici - e coinvolge i soli elettroni (nelle scariche elettriche e nelle batterie entrano in gioco anche le cariche positive).

Il fenomeno della corrente elettrica consiste nel moto ordinato di elettroni in un conduttore. Per quantificarlo utilizziamo la grandezza intensità di corrente elettrica (o semplicemente corrente). La corrente ha simbolo I e la sua unità di misura è l'Ampère (A) e per definizione è la carica che nell'unità di tempo attraversa la sezione di un conduttore. Questa stessa definizione può essere espressa con la formula:

`I=Q/t [A]`

NB le parentesi quadre servono ad indicare le unità di misura; quando il simbolo dell'unità di misura è preceduto da un numero non servono (es. `I = 2A`).

In un conduttore può circolare corrente solo se:

• fa parte di un percorso chiuso che permetta alle cariche di circolare (tornare al punto di partenza)
• viene fornita energia alle cariche per mettersi in movimento

In genere il componente che fornendo energia permette il movimento delle cariche è un generatore di tensione.

Per convenzione la corrente ha un verso opposto a quello in cui si muovono gli elettroni, come mostrato in figura²⁾:

Questa scelta può sembrare strana ma non complica lo studio dei circuiti dove conta solo il verso della corrente, di solito indicato con una freccia.

Nelle misure, come nello studio dei circuiti, distinguiamo tra:

• corrente continua (CC o DC), quando il valore della corrente è costante nel tempo
• corrente alternata (CA o AC), quando il valore della corrente cambia istante per istante con legge sinusoidale

I circuiti elettronici sono generalmente in corrente continua mentre la rete elettrica è in alternata. In figura³⁾ è rappresentato l'andamento nel tempo di una corrente continua e una alternata.

La corrente è una delle due grandezze elettriche fondamentali, insieme alla tensione, e viene misurata direttamente con uno strumento detto amperometro.

Per mettere in movimento delle cariche - e quindi far circolare corrente in un circuito - è necessaria dell'energia. La tensione (o differenza di potenziale) tra due punti è l'energia che occorre spendere per spostare la carica di un Coulomb dal primo al secondo punto. Il simbolo della tensione è V e la sua unità di misura è il Volt (V). La definizione di tensione può essere espressa con la formula:

`V_(AB) = E/Q [V]`

Dove V_AB rappresenta la tensione tra il punto A e il punto B del circuito, E l'energia e Q la carica (la V tra parentesi quadre è il simbolo del Volt).

E' importante osservare che:

• la tensione non scorre in un circuito (come la corrente) ma è una grandezza definita tra due punti
• il simbolo della tensione è accompagnato da due lettere che identificano i due punti
• la tensione ha un verso e l'ordine delle lettere è importante: la prima indica il punto positivo, la seconda quello negativo; quindi V_AB indica la tensione tra A e B, dove A è il punto positivo
• negli schemi la tensione è rappresentata dal suo simbolo e da una freccia che punta verso il punto positivo

Per far circolare corrente in un circuito utilizziamo un generatore di tensione, cioè un componente che eroga energia e mantiene costante la tensione tra i suoi morsetti. Se il generatore produce una tensione alternata nel circuito circolerà una corrente alternata, se invece è in continua - come una batteria o un alimentatore - circolerà corrente continua.

Le batterie generano tensione continua sfruttando delle reazioni chimiche. Nell'immagine⁴⁾ seguente sono rappresentate quelle più comuni.

Gli alimentatori prelevano l'energia elettrica dalla rete e la trasformano in continua. Esistono varie tipologie di alimentatori, con diversi valori di potenza e tensione. Ogni apparecchio elettronico - dal PC alla TV al cellulare (caricabatterie) - ne utilizza uno per funzionare. In figura⁵⁾ è rappresento un alimentatore per PC portatile.

La tensione è la grandezza elettrica più importante in elettronica e viene misurata direttamente con uno strumento detto voltmetro.

Carica, corrente e tensione sono grandezze che possono cambiare valore nel tempo. Nello studio dei circuiti elettrici è molto importante un'altra grandezza che non cambia nel tempo e riguarda i conduttori: la resistenza.

Un conduttore è un componente che può essere attraversato da corrente; ciò avviene quando il conduttore è sottoposto a tensione. La resistenza di un conduttore quantifica quanto il conduttore si oppone al passaggio di corrente.

Il simbolo della resistenza è R e la sua unità di misura è l'Ohm (simbolo Ω). La resistenza di un conduttore è definita come il rapporto tra la tensione applicata a un conduttore e la corrente che lo attraversa. Con una formula:

`R=V/I [Ω]`

La formula sopra è nota come legge di Ohm, ed è probabilmente la formula più importante dell'elettronica. Più spesso viene scritta così:

`V=R*I`

e afferma che in un conduttore di resistenza R la tensione e la corrente sono proporzionali (R infatti è costante).

A seconda del tipo di conduttori la resistenza può avere valori molto diversi:

• i conduttori detti cortocircuiti hanno resistenza trascurabile rispetto agli altri componenti (quindi resistenza pari a zero)
• i conduttori che collegano i vari componenti di un circuito hanno un valore di resistenza il più basso possibile (in genere pochi Ohm)
• i resistori sono conduttori particolari fatti in modo da avere un valore di resistenza noto con precisione
• gli interruttori aperti (che non lasciano passare corrente) hanno resistenza infinita

NB Spesso in elettronica col termine resistenza si intende “conduttore con un certo valore di resistenza (ad es. con “una resistenza da 20Ω” si intende “un conduttore di resistenza pari a 20Ω”). In base al contesto è facile capire a quale dei due significati si fa riferimento.

Negli schemi elettrici la resistenza è rappresentata così:

In figura sono rappresentati anche i morsetti del conduttore (A e B), la tensione ai capi del conduttore e la corrente che lo attraversa. E' importante osservare i versi di tensione e corrente: nelle resistenze la corrente entra sempre dal morsetto positivo (oppure che il morsetto positivo è quello dove entra la corrente).

La resistenza può essere misurata direttamente con uno strumento detto ohmetro o indirettamente misurando tensione e corrente e applicando la legge di Ohm.

Nelle misure elettriche è possibile utilizzare strumenti analogici o strumenti digitali. Le principali differenze tra le due tipologie sono riassunte nella tabella seguente.

Gli strumenti digitali non sono necessariamente più precisi di quelli analogici ma, da quanto visto sopra, è evidente che sono molto più pratici da usare. Per questo motivo in elettronica si fa uso quasi esclusivamente di strumenti digitali, in particolare del multimetro (o tester), uno strumento in grado di misurare più grandezze. Solitamente un tester può misurare:

• tensioni continue
• tensioni alternate
• correnti continue
• correnti alternate
• resistenze

In alcuni tester sono presenti altre funzioni come ad esempio:

• test di continuità (il tester emette un suono se due punti sono collegati elettricamente)
• misura della capacità dei condensatori
• misura del guadagno dei transistor
• misura di temperatura (con un'apposita sonda)
• scelta automatica della scala (autorange)

In commercio esistono modelli da molto economici (intorno a 10€) a molto costosi (più di 200€) ma quasi tutti hanno lo stesso aspetto⁶⁾:

Nella figura si riconoscono:

• il display digitale
• un selettore rotativo che permette di scegliere la grandezza misurata e il valore massimo
• due fori per la misura di capacità di un condensatore
• quattro boccole per collegare lo strumento al circuito di misura

Delle quattro boccole una è detta comune perché viene usata in tutte le misura (di solito è colore nero ed è identificata dalla sigla COM). Le altre vengono usate in base alla grandezza da misurare. Nelle boccole si inseriscono due cavi (uno rosso e uno nero) che collegano lo strumento al circuito di misura. Il terminale di questi cavi può avere forma diversa a seconda dell'impiego, ad esempio:

• puntale
• banana
• coccodrillo
• BNC

Nella figura⁷⁾ seguente sono rappresentati due puntali:

Un connettore a banana⁸⁾:

Un coccodrillo⁹⁾:

Un connettore BNC¹⁰⁾ per cavi coassiali (per oscilloscopi, generatori di funzioni):

Le principali caratteristiche di uno strumento digitale sono:

• la portata o valore di fondo scala che corrisponde al massimo valore misurabile. Gli strumenti digitali hanno più portate per la stessa grandezza. Per effettuare correttamente una misura occorre scegliere la portata più vicina - ma superiore - al valore da misurare.
• la risoluzione che è definita in base al numero di cifre visualizzabili sul display. Ad esempio se un multimetro ha risoluzione di 3 cifre e mezzo può visualizzare valori da 0000 a 1999 (la mezza cifra è quella più significativa che può assumere solo due valori)
• la precisione espressa come errore relativo percentuale a cui va sommata un'incertezza sulla cifra meno significativa. Ad esempio con precisione 0,5% ± 2 digit e valore misurato 1527mV l'errore assoluto vale 1527×0.005 ± 2 mV cioè il valore vero è compreso tra 1517 mV e 1537 mV

Altre caratteristiche importanti sulle quali per semplicità sorvoliamo sono la sensibilità, la prontezza, l'impedenza di ingresso.

Prima di effettuare una misura bisogna impostare il selettore e collegare opportunamente i cavi rosso e nero.

La posizione del selettore va scelta considerando:

• la grandezza da misurare (tensione, corrente, resistenza, ecc.)
• la forma d'onda della grandezza (continua o alternata)
• la portata (possibilmente vicina al valore da misurare ma superiore; nel dubbio si sceglie la portata più alta)

Il cavo nero va sempre nella boccola COM (comune), quello rosso invece va inserito nella boccola contrassegnata dall'unità di misura della grandezza da misurare.

Per misurare la tensione tra due punti di un circuito occorre:

• individuare il morsetto positivo tra i due (se si sbaglia il valore misurato sarà negativo)
• collegare il puntale rosso al morsetto positivo e il quello nero al morsetto negativo

Questo tipo di collegamento è detto in parallelo, che in elettronica significa sottoposto alla stessa tensione. La tensione ai capi dello strumento è infatti la stessa che c'è tra i due punti del circuito.

NB E' possibile misurare la tensione senza interrompere il funzionamento del circuito.

La misura di corrente è più complicata di quella di tensione perché per collegare lo strumento è necessario interrompere il funzionamento del circuito. Per misurare la corrente che attraversa un componente bisogna:

• individuare il verso della corrente (se si sbaglia il valore misurato sarà negativo)
• interrompe il circuito scollegando uno dei due morsetti del componente
• chiudere nuovamente il circuito inserendo lo strumento tra il morsetto scollegato e il resto del circuito

Questo tipo di collegamento è detto in serie, che in elettronica significa attraversato dalla stessa corrente. Nello strumento infatti passa la stessa corrente che attraversa il componente.

Per misurare la resistenza di un conduttore è sufficiente collegare i suoi morsetti ai terminali del multimetro.

L'oscilloscopio è uno strumento che permette di visualizzare su un monitor la forma d'onda di un segnale di tensione che cambia nel tempo.

¹¹⁾

Con l'oscilloscopio è possibile anche effettuare delle misure, tuttavia bisogna distinguere tra:

• oscilloscopi analogici, dove le misure sono imprecise perché ottenute osservando le griglia graduata nel monitor
• oscilloscopi elettronici, che possiedono molte funzionalità in più e permettono di registrare, misurare ed elaborare il segnare

Il paragrafo è dedicato all'uso e al funzionamento degli strumenti elettrici analogici. Per semplicità in questo corso utilizzeremo solo strumenti digitali.

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