unità B3 - Misure su circuiti elettrici

Premessa: Il capitolo introduce alcuni argomenti che verranno affrontati approfonditamente in terza nella materia Elettronica ed Elettrotecnica.

Il terzo paragrafo è affrontato in maniera leggermente diversa in questi appunti; il quarto non viene trattato perché affronta nello specifico un tipo di misura - quella di resistenza col metodo volt-amperometrico - che verrà eseguita solo in terza.

I componenti che formano un circuito sono:

• attivi, se forniscono energia elettrica al circuito (es. generatori di tensione, batterie, alimentatori)
• passivi, se assorbono energia elettrica dal circuito (es. conduttori, lampade, motori)

Nei componenti attivi la corrente esce dal morsetto positivo della tensione, in quelli passivi entra dal morsetto positivo.

Abbiamo già definito i resistori come conduttori con un valore noto e prestabilito di resistenza. Questi componenti hanno forma cilindrica e presentano due terminali detti reofori. Il valore della resistenza è indicato con un codice a bande colorate stampato sul resistore. Il codice più comune prevede quattro bande che vanno lette a partire da quella più vicina ad uno dei due reofori.

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Il significato delle bande è il seguente:

• le prime due bande indicano due cifre del valore della resistenza
• la terza banda è un moltiplicatore multiplo di dieci (x 10, x 100, x 1000, ecc.) con un numero di zeri indicato dal colore
• la quarta indica la tolleranza, cioè lo scostamento massimo tra il valore reale della resistenza e quello dichiarato (espresso in forma percentuale)

Al colore delle prime tre bande è associato un numero come nella tabella seguente:

La quarta banda usa un codice diverso ma è sufficiente sapere che nei resistori più comuni il colore argento indica una tolleranza del 10% e quello oro del 5%.

Facciamo un esempio: se i colori delle quattro bande di un resistore sono marrone, verde, rosso e oro il valore della resistenza si ottiene così:

marrone -> 1
verde   -> 5
rosso   -> x 100 (due zeri, oppure 10^2)
oro     -> 5%

Quindi R=1500 Ω (oppure R=1,5 kΩ)

Per realizzare velocemente prototipi di circuiti senza bisogno di fare saldature gli elettronici utilizzano la breadboard. Si tratta di una basetta dotata di fori dove, con una lieve pressione, è possibile inserire i terminali (reofori) dei componenti collegandoli uno con l'altro. Il circuito così realizzato può essere facilmente modificato e smontato per riutilizzare i componenti.

I fori della breadboard sono collegati tra loro elettricamente secondo questo schema:

• i fori di ogni riga rossa e blu orizzontale sono collegati tra loro
• i fori delle righe verticali sono collegati tra loro cinque a cinque

²⁾

Solitamente le righe rossa e blu servono per l'alimentazione mentre quelle centrali sono utilizzate per collegare i vari componenti.

Lo studio dei circuiti elettrici e dei metodi per calcolare le correnti e le tensioni nei vari componenti sarà affrontato nella materia Elettronica ed Elettrotecnica in terza. In questo paragrafo anticiperemo qualche argomento per comprendere - almeno superficialmente - il funzionamento di alcuni semplici circuiti che utilizzeremo in corso d'anno.

Per studiare il funzionamento di un circuito si ricorre a degli schemi elettrici, cioè a delle rappresentazioni semplificate dei circuiti veri e propri. Questi schemi mettono in evidenza:

• quali sono i componenti che formano il circuito
• come sono collegati tra loro

Tutte le altre informazioni (dimensioni, aspetto, ecc.) non vengono considerate. In questi schemi:

• ogni componente è collegato agli altri tramite due morsetti
• i conduttori di resistenza trascurabile sono rappresentati con delle linee
• gli altri componenti sono rappresentati con un simbolo grafico e una lettera che rappresenta la sua grandezza principale

I simboli grafici principali sono illustrati nella figura seguente:

dove 1 e 2 sono generatori di tensione, 3 un conduttore di resistenza R, 4 un condensatore di capacità C, 5 un induttore di induttanza L, 6 un interruttore e 7 un diodo.

A titolo di esempio lo schema seguente mostra un circuito con un generatore di tensione (ad esempio una batteria), un interruttore e un conduttore di resistenza R.

Per comprendere il funzionamento dei circuiti elettrici è necessario conoscere le seguenti definizioni:

• punto elettrico: insieme di punti collegati con un cortocircuito (cioè collegati da una linea e non separati da un componente)
• nodo: punto elettrico che collega almeno tre componenti
• ramo: percorso del circuito che collega due nodi
• maglia: percorso chiuso che fa parte di un circuito

Osservazioni:

• i punti elettrici sono indicati da delle lettere maiuscole e servono a individuare i morsetti dei vari componenti e a dare un nome alle varie tensioni presenti in un circuito
• nei nodi si dirama la corrente
• ogni ramo ha una sua corrente quindi in un circuito ci sono tante correnti quanti sono i rami

E' possibile capire il funzionamento dei circuiti con poche leggi fondamentali:

• primo principio di Kirchhoff: la somma delle correnti che entrano in un nodo è uguale alla somma delle correnti che ne escono
• secondo principio di Kirchhoff: la somma delle tensioni in una maglia vale zero
• tensione tra due punti: la tensione tra due punti di un circuito si può calcolare sommando le tensioni che si incontrano in un percorso a piacere che collega i due punti
• resistenza equivalente di due o più resistenze collegate in serie: due o più resistenze collegate in serie si comportano come un'unica resistenza equivalente il cui valore è `R_(eq)=R_1 + R_2 + R_3 + …`
• resistenza equivalente di due o più resistenze collegate in parallelo: due o più resistenze collegate in parallelo si comportano come un'unica resistenza equivalente il cui valore è `R_(eq)=1/(1/R_1 + 1/R_2 + 1/R_3 + …)` (con due sole resistenze `R_(eq)=(R_1*R_2)/(R_1+R_2)`)

Il paragrafo mostra come eseguire una misura di resistenza con il metodo volt-amperometrico. Si tratta di una misura indiretta dove il valore della resistenza viene ottenuto calcolando il rapporto tra la tensione ai capi di un conduttore e la corrente che lo attraversa, applicando cioè la definizione di resistenza:

`R=V_(misurata)/I_(misurata)`

Questo metodo è più complicato ma più preciso rispetto ad una misura diretta con il multimetro e verrà affrontato approfonditamente in terza.

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