Laboratorio di Elettrotecnica ed Elettronica Applicata

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1 Dipartimento di Energia Corso di laurea in Ingegneria Aerospaziale Laboratorio di Elettrotecnica ed Elettronica Applicata I esercitazione Presentazione della strumentazione, prime misure 1

2 Premessa Il presente documento ha lo scopo di fornire all'allievo Ingegnere delle linee guida per la migliore comprensione di una esercitazione laboratoriale di Elettrotecnica ed Elettronica Applicata. L'oggetto dell'attività è la presentazione della strumentazione di laboratorio e le prime misure elettriche. Solo una parte degli allievi provengono da un corso di studi di scuola superiore in cui si è affrontato un corso di Elettrotecnica o Elettronica. È fondamentale non dare nulla di acquisito. La personale esperienza maturata come Tutor ed Esercitatore mi ha richiesto di dover dare risposte a domande del tipo Da dove posso prelevare il voltaggio per attaccarlo al circuito? Perchè toccando la resistenza con un dito mi scotto? Dove collego questo cavo? Ma questo componente si è bruciato? Perchè questo componente ha otto piedini mentre sullo schema ne vedo solo sei? L esercitazione si è svolta presso il laboratorio Misure del complesso dei laboratori CLASD (edifico 13) del Politecnico di Milano campus Bovisa nell ambito delle esperienza di laboratorio del corso di Elettrotecnica ed Elettronica Applicata del Prof.Riccardo Zich per Allievi Aerospaziali, I semestre, A.A. 2011/2012. Quando l'allievo sperimenta, si emoziona e si sente coinvolto alla materia. In laboratorio il concetto teorico precedentemente esposto viene consapevolmente acquisito. In questo momento il concetto, uscendo dalla carta, si materializza e avvolge l'allievo Ingegnere con l'elettromagnetico esterno. Ottobre alberto.lazzaroni@ing.unibs.it 2

3 Il laboratorio si compone di dodici banchi la cui principale strumentazione di base è così composta: alimentatore DC a quattro canali; multimetro; generatore di funzioni; oscilloscopio; Banco con la strumentazione, linea di alimentazione del banco, apparecchi di comando-protezione-sezionamento, prese di servizio 3

4 L alimentatore (anche detto generatore di potenza) è un convertitore AC-DC, ossia un apparato elettrico semplice o composto che serve a raddrizzare la tensione elettrica (da alternata AC a continua DC) in modo da fornire energia elettrica adattandola all'uso di altre apparecchiature elettriche. Gli alimentatori differiscono ampiamente in funzione della potenza gestita, così anche per le caratteristiche di qualità della corrente fornita all'uscita. Un alimentatore con pari valori di tensione e potenza è più complesso e costoso quanto più la tensione fornita è precisa e stabile, e quanto maggiore è la sua affidabilità. Negli alimentatori da laboratorio la tensione di uscita è regolabile a piacere dall'utilizzatore in base alla necessità. Questi alimentatori hanno anche una limitazione della corrente massima fornita, in alcuni casi regolabile, utile per evitare problemi in caso di cortocircuito e per speciali circuiti con alimentazione in corrente costante. Nel laboratorio utilizzato per le sperimentazioni è disponibile l alimentatore a 4 canali mostrato in figura. L'alimentatore DC a 4 canali in dotazione presso il laboratorio Il primo a sinistra dei 4 canali dell'alimentatore DC 4

5 Il multimetro è uno strumento di misura elettronico che integra diverse funzioni che consentono le misure fondamentali di Tensione elettrica continua Tensione elettrica alternata sinusoidale Corrente elettrica continua Corrente elettrica alternata sinusoidale Resistenza elettrica Altre funzioni supplementari che si possono trovare in un multimetro sono: Misura di capacità elettrica ed induttanza; Misure di frequenza; Tester di continuità, che suona quando si ha continuità elettrica nel tratto di circuito in esame; Prova di funzionamento di diodi e transistor; Misura di correnti elevate con shunt esterni o pinze amperometriche; Misura di temperatura per mezzo di termocoppie collegate ad appositi connettori. Oscillatori e rilevatori di media frequenza per intervenire su apparecchi radio; Rilevamento dei valori efficaci o di picco massimo e minimo di tensione e corrente. Uno dei modelli di multimetro disponibili in laboratorio 5

6 Il generatore di segnale (anche detto generatore di segnale) è un'apparecchiatura elettrica/elettronica in grado di generare un segnale elettrico con caratteristiche scelte a priori dall'operatore; il segnale, ai fini dell'utilizzo dell'apparecchiatura, può essere considerato stabile e preciso. È possibile generare segnali ad onda: sinusoidale, rettangolare, triangolare. La frequenza e l ampiezza sono impostabili mediante pulsanti e manopole. Uno dei modelli di generatore di funzioni disponibili in laboratorio L'oscilloscopio è uno strumento di misura elettronico che consente di visualizzare, su un grafico bidimensionale, l'andamento temporale dei segnali elettrici e di misurare abbastanza semplicemente tensioni, correnti, potenze ed energie elettriche. L'asse orizzontale del grafico solitamente rappresenta il tempo, rendendo l'oscilloscopio adatto ad analizzare grandezze periodiche. L'asse verticale rappresenta la grandezza fisica (tipicamente la tensione o la corrente). La frequenza massima dei segnali visualizzabili, così come la risoluzione temporale, ovvero la più rapida variazione rilevabile, dipende dalla banda passante dello strumento, a sua volta dipendente dalla qualità e in ultima analisi dal costo. Si spazia dalle decine di megahertz adatti per lavorare con segnali audio e televisivi, ai costosi modelli digitali da diversi gigahertz. Per ottenere una traccia stabile gli oscilloscopi dispongono di una funzione chiamata trigger (innesco), un apposito che fa partire la scansione solo in corrispondenza del verificarsi di un evento sul segnale in ingresso, per esempio il superamento di una soglia di tensione positiva o negativa. Dopo avere completato la scansione da sinistra a destra, l'oscilloscopio rimane in attesa di un nuovo evento. In questo modo la visualizzazione rimane sincronizzata al segnale e la traccia è perfettamente stabile. La soglia di sensibilità del trigger, così come altri parametri è regolabile dall'utente.il circuito del trigger può essere configurato per mostrare una sola scansione di un segnale non periodico, come un singolo impulso o sequenze impulsi non ripetitivi. È possibile introdurre un ritardo tra l'evento e l'inizio della visualizzazione, in modo da analizzare parti del segnale che altrimenti sarebbero fuori dal campo di visualizzazione. La modalità di trigger tipicamente sempre prevista è il trigger a soglia basato sul superamento di un livello prefissato, in salita oppure in discesa. Uno dei modelli di oscilloscopio digitale disponibile in laboratorio 6

7 Una breadboard è uno strumento utilizzato per creare prototipi di circuiti elettrici ed elettronici. A differenza della basetta millefori, che è un circuito stampato (su basetta ramata) su cui vengono saldati i componenti e i collegamenti che formano il prototipo (e che dunque non è riusabile), la breadboard non richiede saldature ed è completamente riusabile (e perciò utilizzata soprattutto per circuiti temporanei). Sebbene venga usata normalmente per la prototipazione di circuiti semplici, può essere usata anche per testare interi calcolatori. Una delle breadboard disponibile in laboratorio I fori contrassegnati in rosso e blu sono collegati fra loro orizzonatalmente e sono tipicamente utilizzati per rendere disponibili al circuito il polo + e il polo dell alimentazione. Al centro, suddivise da un tratto solcato, sono disponibili i fori collegati verticalmente in cui alloggiare gli aerofori dei componenti. Per collegare tra loro gli strumenti e per collegarli al circuito esistono diverse tipologie di cavi. I più diffusi sono rappresentati in figura Cavo cosiddetto banana-banana per alimentare il circuito. Viene collegato da un lato all alimentatore e dall altro lato al circuito mediante connettori a coccodrillo oppure a boccole presenti su alcuni modelli evoluti di breadboard. cavo banana-banana per polo negativo cavo banana-banana per polo positivo connettori a coccodrillo per cavi banan Cavo BNC-BNC per collegare l oscilloscopio al generatore di funzione. cavo bnc-bnc 7

8 Cavo BNC- coccodrilli per collegare l oscilloscopio al circuito oppure il generatore di funzione al circuito. cavo bnc-coccodrilli Cavo BNC- puntali ad uncino per collegare l oscilloscopio al circuito. cavo bnc-puntali ad uncino Cavo BNC- puntale con riferimento per collegare l oscilloscopio al circuito. cavo bnc-puntale 8

9 La figura mostra un esempio di circuito sottoposto a misura. Oscilloscopio e generatore di funzione collegati ad un circuito in transitorio RC su breadboard 9

10 La prima misura Si fornisce all'allievo tre resistori di valori R1=R2=R=1kΩ e R3=470Ω. I codici colori sono riportati in appendice A. Lo si invita a misurare la resistenza mediante la funzione ohmmetro del multimetro. Si misurano diversi valori di resistenza rientranti nelle bande di tolleranza. La misura di R1 fornisce 978Ω. La misura di R2 fornisce 984Ω. La misura di R3 fornisce 463Ω. L'allievo procede con i calcoli degli errori assoluti e relativi (vedere appendice E). 10

11 Il primo circuito di misura Si propone all'allievo di montare su breadboard un circuito serie e verificare sul circuito montato la legge di partizione della tensione mediante l'inserzione di voltmetri in parallelo ai due carichi resistivi e al generatore ideale di tensione. L'allievo prima esegue l'analisi del circuito su carta, poi imposta i valori di fondo scala e altri parametri degli strumenti di misura coerentemente a quanto calcolato. Si valutano gli errori. 11

12 Il secondo circuito di misura Si propone all'allievo di montare su breadboard un circuito parallelo e verificare sul circuito montato la legge di partizione della corrente mediante l'inserzione di amperometri in serie ai due carichi resistivi e al generatore ideale di tensione. Anziché misure dirette di corrente mediante amperometri è possibile anche realizzare misure indirette di corrente mediante voltmetri e resistori di shunt poste in parallelo ai resistori. L'allievo prima esegue l'analisi del circuito su carta, poi imposta i valori di fondo scala e altri parametri degli strumenti di misura coerentemente a quanto calcolato. Si valutano gli errori. 12

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14 Appendice A: Codice dei colori a 4 colori per stabilire la resistenza di un resistore Codice dei colori per stabilire la resistenza di un resistore a 4 colori. I primi 3 colori sono equidistanti. Il quarto colore è maggiormente distanziato. Colore 1 Anello 2 Anello 3 Anello 4 Anello Cifra 1 Cifra2 Moltiplicatore Tolleranze ± 20% argento ± 10% oro ± 5% nero marrone ± 1% rosso ± 2% arancio giallo verde ± 0,5% blu ± 0,25% viola ± 0,1% grigio ± 0,05% bianco Esempi: 1 Anello 2 Anello 3 Anello 4 Anello giallo viola rosso oro 47x100=4700Ω =4.7 kω 4.7 kω ± 5% = kω marrone nero rosso oro 10x100=1000Ω =1.0 kω 1.0 kω ± 5% = kω rosso nero rosso oro 20x100=2000Ω =2.0 kω Le potenze dei resistori variano da 0.1W a alcune migliaia di W. 14

15 Appendice B: Codice dei colori a 5,6 colori per stabilire la resistenza di un resistore Colore 1 Anello 2 Anello 3 Anello 4 Anello 5 Anello 6 Anello Cifra 1 Cifra2 Cifra3 Moltiplicatore Tolleranza Coefficiente di temperatura ± 20% - argento ± 10% - oro ± 5% - nero ppm/k marrone ± 1% 100 ppm/k rosso ± 2% 50 ppm/k arancio ppm/k giallo ppm/k verde ± 0,5% - blu ± 0,25% 10 ppm/k viola ± 0,1% 5 ppm/k grigio ± 0,05% - bianco Esempi: Confezione di resistori a 5 colori da 1/8 di watt a ossido di metallo con terminali assiali a saldare 260 x 10-2 Ω ± 5% = 2,6 Ω ± 5% = 2,47 2,73 Ω 15

16 Appendice C: i condensatori Codice per stabilire la capacità di un condensatore. Condensatori non polarizzati: non hanno una polarità da rispettare, in fase di montaggio hanno terminali interscambiabili. Sono di due tipi: ceramici, poliestere. Condensatori ceramici Ne esistono principalmente di due tipi: a disco multistrato Hanno generalmente capacità tra 1pF e 100nF ideali in alta frequenza. Condensatori poliestere Ne esistono principalmente di due tipi: metallizzato mylar Hanno generalmente capacità tra 1nF e 1µF ideali in bassa frequenza. 16

17 Codice alfanumerico: Si utilizza la lettera dell unità di misura, al posto della virgola, quindi: 4p7 significa 4,7pF n47 significa 0,47nF = 470pF 4n7 significa 4,7nF (indicato anche µ0047 cioè 0,0047µF) 47n significa 47nF (indicato anche µ047 cioè 0,047µF) 470n significa 470nF (indicato anche µ47 cioè 0,47µF) 47p significa 47pF, ma si può indicare anche soltanto 47, in quanto si sottintende pf se non indicato. Codice numerico a tre cifre: Sul corpo sono stampate 3 cifre, di cui le prime due corrispondono alle prime due cifre del valore di capacità, e la terza al numero di zeri da aggiungere. Il valore è espresso in pf, quindi: 472 significa 4.700pF = 4,7nF (infatti: Prima cifra = 4 Seconda cifra = 7 Numero di zeri da aggiungere = 2) 471 significa 470pF 470 significa 47pF (indicato anche come 47, sottintendendo lo zero) 4.7 significa 4,7pF (il puntino si utilizza solo per capacità inferiori ai 10pF) 473 significa pF = 47nF 474 significa pF = 470nF 104 significa pF = 100nF 105 significa pF = 1µF Codice con puntino iniziale (solo per capacità dell ordine del nf) Se sul corpo del condensatore c è un numero preceduto da un puntino, significa che il valore è espresso in µf, e il puntino corrisponde alla virgola preceduta dallo zero. Quindi:.0047 significa 0,0047µF = 4,7nF.047 significa 0,047µF = 47nF.47 significa 0,47µF = 470nF L equivoco dell 1 : per le capacità da 1pF e quelle da 1µF, può capitare di trovare sul loro corpo lo stesso numero: 1. Generalmente quello da 1pF è ceramico, mentre quello da 1µF è al poliestere, e di solito, quello da 1µF è fisicamente più grande. 17

18 Appendice D: richiami di teoria degli errori di misura L'errore assoluto di una misura è definito come la differenza tra il valore vero e il valore misurato Ea=Vv Vm dove Ea = errore assoluto, Vv = valore vero, Vm = valore misurato L'errore assoluto è una grandezza algebrica (cioè con segno) e ha la stessa unità di misura del valore vero e del valore misurato. L'errore relativo di una misura è generalmente definito come il rapporto tra l'errore assoluto e il valore vero del misurando, cioè: Er= Ea Vv = Vv Vm =1 Vm Vv Vv dove Er = errore relativo L'errore relativo è una grandezza algebrica (cioè con segno), ma, essendo il rapporto fra due grandezze omogenee, è adimensionata (cioè priva d'unità di misura). L'errore relativo nasce dall'esigenza d'interpretare velocemente se un errore è piccolo o grande (dunque se è più o meno tollerabile) confrontandolo direttamente con la grandezza misurata. Minore è il valore dell'errore relativo, maggiore sarà la precisione della misurazione effettuata. In quest'ottica, per evitare di aver a che fare con poco pratici numeri decimali, l'errore relativo viene comunemente riportato con la notazione percentuale (in questo caso viene chiamato errore percentuale), cioè: Er%=Er100 dove Erep = errore relativo percentuale, Eass = errore assoluto, Vver = valore vero Nel caso di misura di una grandezza indirettamente dalle misure di altre grandezze si ha che l'errore assoluto commesso nella misura indiretta di una grandezza somma di altre grandezze è pari alla somma dei singoli errori assoluti l'errore assoluto commesso nella misura indiretta di una grandezza differenza di altre grandezze è pari alla differenza dei singoli errori assoluti l'errore relativo commesso nella misura indiretta di una grandezza prodotto di altre due grandezze è pari alla somma algebrica dei singoli errori relativi l'errore relativo commesso nella misura indiretta di una grandezza quoziente di altre due grandezze è pari alla differenza algebrica (nel caso peggiore somma dei valori assoluti) dei singoli errori relativi 18

19 Appendice E: partizioni di tensione e di corrente Sia assegnato il circuito serie in figura R eq =R 1 +R 2 V 1 = R 1 I 1 V 2 =R 2 I 2 E=V 1 +V 2 I =I 1 =I 2 E=V 1 +V 2 =R 1 I 1 +R 2 I 2 =R 1 I+ R 2 I =( R 1 +R 2 ) I =R eq I V 1 = R 1 I =R 1 I 1 =R 1 E R eq =E R 1 R 1 +R 2 =E R 1 R eq V 2 =R 2 I=R 2 I 2 =R 2 E R eq = E R 2 R 1 +R 2 = E R 2 R eq 19

20 Sia assegnato il circuito parallelo in figura E=V 1 =V 2 I =I 1 +I 2 V 1 = R 1 I 1 V 2 =R 2 I 2 I = V 1 R 1 + V 2 R 2 =E ( 1 R R 2 ) I 1 I 1 = E + 1 R = 1 R 2 R =I 2 R 1 R 1 R 1 +R 2 I I 2 = E ( ) R = 1 R 2 R =I 1 R 2 R 2 R 1 +R 2 20

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