POLITECNICO DI MILANO CORSO DI LAUREA INGEGNERIA AEROSPAZIALE Laboratorio ELETTROTECNICA e ELETTRONICA APPLICATA

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1 POLITECNICO DI MILANO CORSO DI LAUREA INGEGNERIA AEROSPAZIALE Laboratorio ELETTROTECNICA e ELETTRONICA APPLICATA STRUMENTAZIONE IN DOTAZIONE AL LABORATORIO STRUMENTI VIRTUALI LAB VIEW LAB VIEW 8

2 OSCILLOSCOPIO VIRTUALE LAB VIEW LAB VIEW 8 BASETTA SPERIMENTALE MILLE FORI

3 REALIZZAZIONI CIRCUITALI SU BASETTA SPERIMENTALE CARATTERISTICHE COSTITUTIVE DELLA BASETTA CAVI PER I COLLEGAMENTI ELETTRICI SCHEDA DI ACQUISIZIONE DATI

4 I connettori BNC sono una famiglia di connettori unipolari a baionetta usati per l'intestazione di cavi coassiali. La sigla del connettore costituisce l'acronimo di Bayonet Neill Concelman, dal nome dei due inventori Paul Neill e Carl Concelman e dal sistema utilizzato per l'innesto, appunto di tipo definito a baionetta. (connettori BNC maschio) (Tre tipi di connettori a coccodrillo di piccole dimensioni) L'aggancio fra il connettore maschio e il connettore femmina si effettua rapidamente, ruotando di un quarto di giro la ghiera del connettore maschio intorno ai due perni, ricavati proprio sulla ghiera del connettore femmina; l'unione così ottenuta, risulta meccanicamente molto affidabile, anche grazie all'azione della molla contenuta all'interno del connettore maschio. Gli elementi del contatto elettrico possono esse placcati in argento o in oro, nel secondo caso si ha la massima garanzia di affidabilità nel tempo del contatto elettrico. L'elemento isolante, nei migliori modelli è realizzato in Teflon. Il fissaggio al cavo coassiale può essere effettuato in due modi: il primo prevede solo una coppia di semplici chiavi e un saldatore a stagno, il secondo prevede l'utilizzo di una speciale pinza per poter crimpare il cavo sul connettore, questo secondo metodo risulta nel tempo più affidabile. Il connettore a coccodrillo o pinza a coccodrillo o clip a coccodrillo (in inglese: Crocodile clip o Alligator clip) è chiamato in questo modo per la notevole somiglianza con la testa di un coccodrillo o di un alligatore. Il suo funzionamento è semplice, analogo a quello di una molletta da bucato. Il suo utilizzo è molto diffuso in elettronica e in elettrotecnica ma anche in altri diversi campi quando si ha bisogno di un collegamento temporaneo. Sono disponibili cavi con due coccodrilli alle estremità per connessioni temporanee. In elettronica e in elettrotecnica è molto usato: negli strumenti per misurare una grandezza elettrica senza dover tenere le mani impegnate come connessione di riferimento per strumenti di misura (oscilloscopi, tester, ecc.) si usano cavi con due coccodrilli alle estremità per fare rapidamente dei collegamenti È spesso parzialmente protetto da un materiale isolante per ridurre la possibilità di cortocircuiti (vedi il coccodrillo con guaina gialla nelle figura). In ambiente automobilistico è ben conosciuto per collegare provvisoriamente una batteria scarica a un'altra batteria carica o a un carica-batterie (in questo caso si usano cavi e connettori con colori standard: rosso per il positivo e nero per il negativo. Importante: la connessione errata è molto pericolosa e può provocare l'esplosione della batteria).

5 12 V GND V 12 V Connettore BNC Banana 12 V GND V 12 V

6 USO DELLA BREAD BOARD La Bread-Board o basetta sperimentale rappresenta un mezzo molto comodo e nello stesso tempo potente per realizzare assemblaggi di circuiti elettronici senza saldature. La semplicità, la velocità di impiego e la buona affidabilità ne fanno uno strumento indispensabile in un laboratorio elettronico, in fase di elaborazione e studio del progetto, per provare il corretto funzionamento dei circuiti in esame. La Bread-Board è costituita da una basetta (si veda la figura che segue) provvista di una scanalatura mediana e da una serie di fori disposti secondo righe e colonne e distanziati del passo standard di 2,54 mm (1/10 di pollice), tipico dei pin dei circuiti integrati. Generalmente essa contiene 64 x 2 serie di 5 fori. Breadboard Top I fori di una colonna, generalmente 5, sono internamente collegati fra loro mediante una barretta metallica a molla, ma non con i fori delle colonne adiacente o della colonna simmetrica rispetto alla scanalatura. E' così possibile inserire i circuiti integrati a cavallo della scanalatura; per ogni pin rimangono quindi disponibili per i collegamenti con altri componenti, ben quattro fori. Breadboard - Internal connections Lungo i due lati maggiori della basetta sono disposte due file di fori. Il collegamento fra i fori di una fila di solito è interrotto a metà (non nella figura della basetta soprastante), sicché si hanno a disposizione quattro gruppi di 25 fori per l'alimentazione, la massa o per i segnali. Normalmente una delle file superiori, unita con un ponticello, costituisce il conduttore di alimentazione, mentre una delle file inferiori il conduttore di massa. Le dimensioni dei fori sono adatte all'inserimento dei reofori (terminali) dei componenti più comuni; le molle sottostanti provvedono al fissaggio dei terminali. I collegamenti fra i fori vanno effettuati con filo rigido di circa 0,5 mm di diametro. Sono adatti i fili AWG 24 e 26, che presentano diametro di 0,511 e 0,404 rispettivamente. Con questa tecnica di montaggio è possibile realizzare circuiti semplici,

7 ma anche complessi ( si veda l'esempio che segue) purché si rispettino alcune semplici regole: i componenti debbono essere disposti secondo uno schema ordinato ed in modo da poter essere facilmente estratti e sostituiti senza dover disfare il circuito; non si deve forzare l'inserimento nei fori dei reofori o di fili troppo grossi; così facendo le molle finiscono per perdere la loro elasticità ed i contatti divengono incerti; non inserire mai nei fori fili con le estremità piegate, raddrizzarle prima con una pinza; i fili di collegamento debbono essere tenuti aderenti alla basetta e fatti passare intorno e non sopra i componenti. Per il cablaggio dei circuiti sulla BreadBoard è richiesta un'attrezzatura di base molto semplice formata da un tronchesino, una pinza a becco lungo e un cacciavite (quest'ultimo serve soprattutto per estrarre i circuiti integrati). Accanto agli evidenti vantaggi, questa tecnica presenta tuttavia anche alcuni difetti. I fili di collegamento possono a volte uscire, anche solo parzialmente, dai fori, interrompendo il contatto. Specialmente con basette vecchie e molto utilizzate, può capitare che le molle creino contatti incerti; in questo caso diviene arduo rintracciare la causa del mal funzionamento del circuito in prova. Inoltre l'assemblaggio che si ottiene con queste basette, a causa delle notevoli capacità ed induttanze parassite, presenta limiti di funzionamento alle alte frequenze (sopra i MHz).

8 LABORATORIO di ELETTROTECNICA MULTIMETRO --- TESTER Se si osserva una resistenza, si vede (da una estremità o dall'altra) una fascetta di color oro; questo colore indica che la tolleranza rispetto al valore nominale è pari al 5%. Se la fascetta è di colore argento significa che la tolleranza è del 10% (valore meno preciso e resistenza di minore qualità). Si deve disporre la resistenza in modo che la fascetta dorata si trovi alla destra (come in figura). Si cominciano poi a leggere le tre fascette, da sinistra verso destra. Il colore della prima indica la prima cifra del valore; il colore della seconda fascetta indica la seconda cifra; il colore della terza definisce il potere moltiplicatore, cioè quanti zeri si devono aggiungere alle precedenti due cifre. Nel caso specifico della resistenza raffigurata come esempio, si hanno i seguenti colori: rosso, viola, arancio. A tali colori corrispondono i numeri 2, 7 e 3. Il valore è, pertanto, 27 seguito da 3 zeri, cioè: Ω, ovvero 27 KΩ. Il testo e le immagini di questo sito sono di totale proprietà dell'autore; non ne è consentita la riproduzione, anche parziale, se non espressamente autorizzata

9 Selettore della misura collegamento dei puntali per le misure di tensione e resistenza collegamento dei puntali per misure di corrente fino a 2 A. collegamento dei puntali per misure di corrente fino a 10 A.

10 CODICE A COLORI PER LE RESISTENZE - Resistori con 4 anelli colorati COLORE 1 ANELLO 2 ANELLO 3 ANELLO 4 ANELLO Nero Marrone % Rosso % Arancione Giallo Verde ,50% Blu ,25% Viola 7 7 0,10% Grigio 8 8 Bianco 9 9 ARGENTO x % ORO x 0.1 5% - Resistori con 5 anelli colorati COLORE 1 ANELLO 2 ANELLO 3 ANELLO 4 ANELLO 5 ANELLO Nero Marrone % Rosso % Arancio Giallo Verde ,50% Blu ,25% Viola ,10% Grigio Bianco ARGENTO x % ORO x 0.1 5%

11 CODICE COLORI PER LE RESISTENZE Codice a 4 bande di colore COLORE BANDE 1, 2, (3) Codice a 5 bande di colore POTERE MOLTIPLICATORE TOLLERANZA COEFFIC TEMPERAT. NERO ppm/ K MARRONE 1 1 1% 100 ppm/ K ROSSO 2 2 2% 50 ppm/ K ARANCIONE ppm/ K GIALLO ppm/ K VERDE 5 5 0,50% BLU 6 6 0,25% 10 ppm/ K VIOLA 7 7 0,10% 5 ppm/ K GRIGIO ppm/ K BIANCO 9 9 ORO -1 5% ARGENTO -2 10% SENZA COLORE 20% CODICE IEC 62 VALORE DI RESISTENZA SIGLA VALORE DI RESISTENZA SIGLA 0,33 OHM R33 33 KOHM 33K 3,3 OHM 3R3 330 KOHM 330K 33 OHM 33R 0,33 MOHM M OHM 330R 3,3 MOHM 3M3 0,33 KOHM K33 33 MOHM 33M 3,3 KOHM 3K3 330 MOHM 330M

12 Diodi LED Vi sono dei particolari componenti elettronici in grado di emettere luce se alimentati con tensione continua; questi componenti si chiamano diodi emettitori di luce, in inglese Light Emitter Diode, da cui la sigla L.E.D. che sta proprio ad indicare i diodi che emettono luce. LED verde LED rosso Il diodo L.E.D. è un componente elettrico con due morsetti, fra loro NON intercambiabili, il cui simbolo elettrico è di seguito riportato. Nel simbolo vi è una freccia che indica il percorso della corrente; nel nostro caso la corrente va da sinistra a destra; il morsetto di sinistra è detto Anodo e va collegato al morsetto positivo del generatore di tensione; l'altro morsetto è detto Catodo e va collegato al morsetto negativo del generatore di tensione; se il componente è nuovo il filo del catodo è tagliato più corto del filo dell'anodo. La tensione di alimentazione deve essere Simbolo elettrico del diodo LED continua e di piccolo valore; massimo sui 3 V; occorre stare attenti a non invertire i poli del generatore di tensione in quanto il diodo LED ha una piccola tensione inversa di rottura (2 5 V) e si brucia facilmente. Particolari costruttivi e tecnici I diodi LED vengono costruiti con particolari tipi di semiconduttori; i semiconduttori sono dei materiali che conducono solo se vengono alimentati in una certa direzione e non conducono se alimentati in direzione opposta; il materiale semiconduttore più usato per i diodi normali è il silicio; per i diodi LED si usa l'arseniuro di Gallio per gli infrarossi; l'arseniuro fosfuro di gallio per il rosso; Il fosfuro di gallio per il giallo e il verde; il carburo di silicio per il blu. Quando un diodo LED viene alimentato gli elettroni presenti all'interno del diodo passano da livelli energetici elevati a livelli energetici più bassi, emettendo delle radiazioni aventi la frequenza della luce. L'emissione della luce, per evitare che venga assorbita all'interno del diodo, viene opportunamente riflessa da piccoli specchi, che indirizzano la luce verso l'esterno. Vi sono diversi tipi di diodi LED, come vediamo nella seguente tabella: LED Lunghezza d'onda λ [nm] Tensione di soglia [V] con I f =20 ma Tensione inversa [V] Massima corrente diretta [ma] Infrarosso 898 1, Rosso 665 1, Giallo 575 2, materiale Arseniuro di gallio Arseniuro fosfuro gallio Fosfuro di gallio Simbolo chimico Ga As Ga As P Ga P

13 Verde 565 2, Blu nm = 1 nanometro = metri Fosfuro di gallio Carburo di silicio Ga P Si C Si dice caratteristica diretta di un diodo LED la curva che esprime l'andamento della corrente del diodo I D in funzione della tensione applicata al diodo stesso V D. caratteristiche dirette di diodi LED Se analizziamo le caratteristiche dirette dei vari colori notiamo che in tutte le caratteristiche esiste una tensione di soglia, cioè una tensione superata la quale la corrente aumenta di molto e in maniera lineare; mentre per valori inferiori alla tensione di soglia la corrente è nulla. Inoltre all'aumentare della corrente aumenta anche la luminosità del diodo LED. Circuito di polarizzazione Ogni diodo LED deve avere la giusta tensione e la giusta corrente; polarizzare un diodo vuol dire fare in modo che ai suoi capi vi sia la giusta tensione e che in esso circoli la giusta corrente. Ci serve quindi un circuito di polarizzazione. Un circuito può essere il seguente: In pratica il resistore R 1 serve per evitare la bruciatura del diodo; il resistore fa in modo che nel diodo LED circoli la giusta corrente e che la tensione applicata sul diodo sia quella voluta, anche se il generatore di tensione ha una tensione più elevata.

14 Esercizio Dimensionare i valori dei componenti il circuito di polarizzazione di un diodo LED di colore rosso. Soluzione Scegliamo dapprima un generatore di tensione adatto; supponiamo di avere un generatore di tensione continua con tensione E= 5 V. Si tratta ora di scegliere il valore del resistore R 1 da porre in serie al diodo LED. Scriviamo dapprima l'equazione alla maglia, applicando il secondo principio di Kirchhoff delle tensioni: E = V 1 V D dove E è la tensione del generatore; V 1 è la tensione ai capi di R 1 ; V D è la tensione ai capi del diodo. Decidiamo ora il livello di corrente in base alla luminosità che vogliamo ottenere; possiamo dare dei valori o di 20 ma o di 30 ma, fino a 40 ma. Scegliamo 20 ma, cioè: I 1 = I D = 20 ma Ricaviamo per I D = 20 ma una V D = 1,65 V essendo tutti i componenti in serie avranno tutti la stessa corrente. Dalle caratteristiche troviamo la caratteristica del LED rosso; tiriamo una linea orizzontale in corrispondenza di I D = 20 ma; tale linea incontra la caratteristica in un punto P, detto punto di lavoro del diodo; tiriamo una retta verticale da questo punto P; tale retta incontra l'asse delle ascisse nel punto V D = 1,65 V Quindi otteniamo che la tensione del diodo è: V D = 1,65 V. Ritorniamo all'equazione: E = V 1 V D Ora conosciamo: E = 5 V --- V D = 1,65 V Con la formula inversa ci ricaviamo V 1 : V 1 = E - V D = 5-1,65 = 3,35 V Ricordando la legge di Ohm per il resistore R 1 possiamo scrivere: V 1 = R 1 I 1 da cui: Scegliamo un valore commerciale che si avvicina: R 1 = 170 Ω. Colori: marrone-viola-marrone

15 PROVA Esercitazione 1 1ª Parte Obiettivo: Verifica del codice colori. Misura di resistenze e verifica della loro appartenenza al valore del range di tolleranza specificato dalla relativa banda. Impostazione dei valori di tensione di alimentazione E sui canali dell alimentatore. Misure di tensione e di corrente mediante Multimetro Digitale (Tester da Banco) Verifica della legge del partitore resistivo di tensione Verifica della legge del partitore resistivo di corrente a) Misure di tensione: verifica del partitore resistivo di tensione A V AB B V BC C V R 1 E 1 V BD R 2 R 3 V CD R 4 E 1 = 10 V R 1 = R 2 = R 3 = R 4 = 1 KΩ Impostare l alimentatore alla tensione E 1 = 10 V verificando il valore visualizzato sul display con il tester dello strumento multifunzione; Misurare le tensioni V AB, V BC, V BD e V DC Verificare la proprietà di disparità per le tensioni V CD e V DC ; cioè verificare che esse soddisfano la condizione espressa dalla relazione: V DC = V CD R2 ( R3 R4 ) V BD = R [ R ( R R V CD D (figura 1) 4 E )] 1 R R R ( R R ) = E1 VDC = VCD R VCD = R4 R3 R4 R1 [ R2 ( R3 R4 )] b) Misure di corrente: verifica del partitore resistivo di corrente A E 1 R 1 I 1 B D R 2 I 2 R 3 I 3 (figura 2) I 4 R sh E 1 = 10 V R 1 = R 2 = R 3 = R 4 = 1 KΩ R SH = 10 Ω Impostare l alimentatore alla tensione E 1 = 20 V verificando il valore visualizzato sul display con il tester dello strumento multifunzione Misurare le correnti V AB, V BC, V BD e V DC Verificare la proprietà di disparità per le correnti I 3 e I 4 ; cioè verificare che risulta soddisfatta la condizione espressa dalla relazione: I 4 = I 3 A C R 4

16 I I I E1 = R1 [ R2 ( R3 R4 )] ( R3 R4 ) ( R3 R4) = I1 = ( R R R ) ( R R R ) R 1 [ R 2 E1 ( R 3 R R2 R2 E1 = I1 = ( R2 R3 R4) ( R2 R3 R4 ) R1 [ R2 ( R3 R4 )] Verificare la legge di Kirchhoff delle correnti applicata al nodo B, ovvero che risulta: I 1 = I 2 I 3 PROVA Esercitazione 1 2ª Parte Obiettivo: Rilievo sperimentale della caratteristica tensione corrente di un bipolo lineare e passivo. Verifica del principio di identità di un bipolo 4 )] (figura 3) R L = 2,2 KΩ R Sh = 10 Ω A I B V R sh Vmin Vmax V S R L V B Alimentatore Principio di identità del bipolo tra la corrente e la tensione misurate ai capi di un bipolo elettrico (in regime stazionario) esiste un legame che non dipende da quanto vi è collegato all esterno ai suoi morsetti, ma che discende esclusivamente dalla sua natura elettrica. N V S V B [V] I B [ma] [V] 1-10,0 2-7,5 3-5,0 4-2,5 5 0,0 0,00 0,00 6 2,5 7 5,0 8 7,5 9 10,0 R = (V B /I B ) [KΩ] Svolgimento della prova 1) lanciare gli strumenti virtuali voltmetro e amperometro dell applicazione LabView; 2) Impostare, sullo strumento virtuale amperometro, il valore di resistenza di shunt a 10Ω e il valore di fondo scala a 30 ma. Impostare, sullo strumento voltmetro, il valore di fondo scala a ± 10V in relazione ai valori della tensione di alimentazione (V S = ± 10V); B V B I B V B α (figura 4) I B tan α = R L

17 3) Accendere il power supplì e verificare che la tensione sia V S = 0 V 4) Procedere da V S = 0 Ve, agendo sull alimentatore, fare in modo che l incremento della tensione V B avvenga a intervalli regolari (per esempio V B = 2,5 V), rilevando il corrispondente valore della corrente I B ; 5) Ripetere la procedura per tensioni di alimentazione negative, cioè invertendo le connessioni ai morsetti dell alimentatore. 6) Le coppie di valori di tensione-corrente vengono annotate in una tabella del tipo indicato nella figura 4 e riportate su di un grafico che rappresenta la curva caratteristica del bipolo, come indicato nella già citata figura 4. PROVA Esercitazione 1 3ª Parte Obiettivo: Rilievo sperimentale della caratteristica tensione corrente di un bipolo non lineare e passivo, realizzato con due diodi LED in connessione antiparallelo. (figura 5) R O = 1 KΩ R Sh = 10 Ω A Bipolo in prova A V R O R sh LED Vmin Vmax V S V B Alimentatore Rilievi sperimentali: I B K N V S [V] V B [V] I B [ma] N V S [V] V B [V] I B [ma]

18 Rappresentazione grafica della relazione costitutiva I B = ƒ(v B ) rilevata sperimentalmente I B [ma] V B 0 [V] Regolazione della corrente di cortocircuito del Power Supply Prima di accendere il power supply (Figura 1) rimuovere, se presente, il ponticello che realizza il collegamento fra il morsetto negativo dell'uscita (47) e il morsetto di GND (51). Accendere il power supply (50) ed effettuare la regolazione del massimo valore della corrente di corto circuito, procedendo come di seguito indicato: 1) selezionare, tramite l apposito tasto (48), la funzione voltmetro dello strumento digitale (42) accertandosi che sul display, in basso a destra, compaia l'unità di misura "V"; 2) ruotare il potenziometro voltage (43) in senso antiorario portando la tensione di alimentazione al valore di 0V; 3) selezionare per lo strumento digitale (42) la funzione amperometro (48) accertandosi che sul display, in basso a destra, compaia l'unità di misura "A"; 4) ruotare il potenziometro current (44) completamente in senso orario fino alla posizione di fine corsa; 5) cortocircuitare i cavetti di alimentazione; 6) ruotare il potenziometro voltage in senso orario fino a visualizzare sullo strumento in modalità amperometrica un valore di corrente pari a 0,50A; 7) ruotare il potenziometro current in senso antiorario fino all accensione del diodo LED contrassegnato con la sigla CC (49); 8) selezionare per lo strumento la funzione voltmetro (48) accertandosi che sul display, in basso a destra, compaia l'unità di misura "V"; 9) rimuovere la condizione di c.c. e ruotare il potenziometro voltage (43) in senso antiorario riportando, se necessario, la tensione di uscita a 0V; 10) spegnere il power supply (50).