Le misure di tensioni e correnti continue e alternate

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Misure di tensioni continue

Le misure di tensioni continue, da eseguire sulla circuitazione analogica, hanno come obiettivo il controllo dei livelli delle stesse per verificare se i partitori resistivi, le polarizzazioni dei componenti attivi e quant'altro sono conformi ai dati di progetto.

Queste misure è buona norma che vengano sempre eseguite, inizialmente, con voltmetri a bobina mobile (Tester).

Questi strumenti pur non offrendo né la precisione né la sensibilità dei voltmetri elettronici, che peraltro potranno comunque essere impiegati in un secondo tempo se le misure lo richiedono, sono da preferire a quest’ultimi nelle fasi iniziali delle misure.

La ragione di questa procedura risiede nel fatto che quando l’indice di un tester indica un valore di tensione, c’è la certezza che detta tensione sia presente, magari con un valore un poco diverso; altrettanta certezza non si potrebbe avere, invece, con un voltmetro elettronico erroneamente collegato (per mancanza d’esperienza) che indicherebbe presenza di tensione anche nel caso in cui questa non fosse presente.

Riassumendo quindi: è necessario eseguire inizialmente una serie di misure a carattere orientativo con un tester, e poi ripeterle successivamente con un voltmetro elettronico per ottenere letture più precise.

L’impiego di un tester per misure di tensioni continue nei circuiti analogici, richiede una rapida comparazione (operazione generalmente non necessaria per i voltmetri elettronici) tra le caratteristiche dello strumento e quelle del punto nel quale dette misure devono essere eseguite; alcuni semplici esempi per utilizzo di questo strumento sono di seguito riportati.

Primo esempio

Un tester che abbia una resistenza di $10000\ Ohm/volt$, se disposto per misure con $10\ V$ fondo scala, presenta una resistenza $Ri$ d’ingresso di:

$Ri=10\ V\cdot 10000\ Ohm/volt=100000\ Ohm$

Con uno strumento avente queste caratteristiche potremo rilevare livelli di tensione in punti di un circuito che presentino valori di resistenza non superiori ad $1/10$ di $Ri$, in tal caso commetteremo un errore massimo del $10\%.$.

La figura 1 illustra la condizione di misura:

figura 1

il circuito rappresenta un partitore resistivo $(R1=3300\ Ohm\ ;\ R2=10000\ Ohm)$ con il quale, dalla tensione di $12\ Vcc$, si ottiene un livello di $2.97\ Vcc$; detta tensione si ottiene dalla relazione:

$12\ V\cdot R1/(R1+R2)=12\ V\cdot 3300\ Ohm/(3300\ Ohm+10000\ Ohm)=2.97\ V$

Se per misurare la tensione generata dal partitore colleghiamo il tester tra il punto $x$ e la zona di massa, il circuito si troverà ad avere in parallelo ad $R1$ anche la resistenza $(Ri=100000\ Ohm)$ dello strumento; ciò provocherà un cambiamento della resistenza verso massa che da $R1$ diventerà:

$R1'=(3300\ Ohm\cdot 100000\ Ohm)/(3300\ Ohm+100000\ Ohm)=3194\ Ohm$ e di conseguenza una variazione della tensione in x da $2.97\ V$ a:

$12V\cdot 3194\ Ohm/(3194\ Ohm+10000\ \ Ohm)=2.9\ V$

con un errore di lettura del ${-}2.4\%.$

In questo caso l’errore di misura commesso è piccolo grazie al fatto che la $Ri$ è ben $30.3$ volte il valore di $R1.$

Secondo esempio

Errore ben superiore al ${-}2.4\%.$ si sarebbe commesso se, con lo stesso tester, avessimo eseguito la misura su di un partitore in cui fossero state: $R1=33000\ Ohm\ ;\ R2=100000\ Ohm$  ; in tal caso il cambiamento della resistenza verso massa sarebbe stato da $R1=33000\ Ohm$ a:

$R1'=(33000\ Ohm\cdot 100000\ Ohm)/(33000\ Ohm+100000\ Ohm)=24812\ Ohm$

con una conseguente variazione della tensione misurata da $2.97\ V$ a:

$12\ V\cdot 24812\ Ohm/(24812\ Ohm+100000\ Ohm)=2.38\ V$ con un errore inaccettabile di misura del ${-}24.7\%.$

Questo risultato dipende ovviamente dalla resistenza del tester che è di sole $3.03$ volte il valore di $R1;$ è chiaro quindi che, prima di qualsiasi misura di tensione con uno strumento a bobina mobile, sia necessario valutare quale incidenza può avere la resistenza dello strumento sul circuito sotto controllo.

Ciò non significa che certe misure non si possano fare, ma che si debba tener conto, mediante calcolo, dell’errore commesso per valutare l’effettivo livello di tensione nel punto di misura; un terzo esempio chiarirà la situazione.

Terzo esempio

Supponiamo che il partitore di figura 1 sia formato da $R1=680\ Ohm\ e\ R2=8200\ Ohm,$ con tali valori di resistenze la tensione reale nel punto $x$ deve essere:

$12\ V\cdot 680\ Ohm/(680\ Ohm+8200\ Ohm)=0.91\ V$

Dobbiamo ora verificare a quale livello tale tensione appare se letta con un tester da $10000\ Ohm/volt$ disposto su di un fondo scala di $2.5\ V,$ in questo caso $Ri$ sarà :

$Ri=2.5\ V\cdot 10000\ Ohm/volt=25000\ Ohm$

e

$R1'=(680\ Ohm\cdot 25000\ Ohm)/(680\ Ohm+25000\ Ohm)=661.9\ Ohm$

di conseguenza dovremmo leggere, sul voltmetro, una tensione $VL$ pari a:

$VL=12\ V\cdot 661.9/Ohm/(661.9\ Ohm+8200\ Ohm)=0.89\ V$

Possiamo ora passare, a ritroso, dalla lettura effettuata con il voltmetro, di $0.89\ V,$ alla tensione reale $(Vr)$ nel punto $x$ utilizzando l’espressione:

$Vr=VL(1+Ro/Ri)$

nella quale

$Ro=R1\cdot R2/(R1+R2).$

Essendo $Ro=R1\cdot R2/(R1+R2)=680\ Ohm\cdot 8200\ Ohm/(680\ Ohm+8200\ Ohm)=627.92\ Ohm$

si ha:

$Vr=0.89\cdot (1+627.92\ Ohm/25000\ Ohm)=0.91\ V$

Il valore di $Vr$ ora calcolato rappresenta la tensione realmente presente tra il punto di misura $x$ e la massa.

Dagli esempi illustrati emergono chiaramente due principi da seguire per le misure di tensione in corrente continua:

Utilizzare, per quanto possibile, tester con la più elevata resistenza/volt; ad esempio uno strumento da $100000\ Ohm/volt$ risulta meno critico che uno da $10000\ Ohm/volt.$

Valutare sempre il rapporto $Ri/R$ (del punto di misura) per giudicare se la misura dovrà essere corretta a calcolo oppure accettata così come da rilievo.

Situazioni diverse da quelle precedenti si hanno quando le misure di tensione vengono eseguite in circuiti nei quali le resistenze non determinano partizioni di tensione ma sono collegate o ad un generatore di tensione o di corrente; questi due casi sono illustrati in figura 2:

figura 2

Nel generatore di tensione (circuito a sinistra) la differenza di potenziale tra il punto $x$ e la massa non è determinata dal valore di $R1$ ma dalla polarizzazione di base di Tr.

La misura eseguita con il tester ai capi di $R1,$ pur alterando un poco la corrente in Tr, in dipendenza del valore di $Ri$ del tester, non altera il valore di tensione in $x$ e di conseguenza la misura di tensione può considerarsi precisa anche con un tester da $10000\ Ohm/volt$.

Nel generatore di corrente (circuito a destra) la tensione tra il punto $x$ e la massa è determinata dal valore di $R1$ e dalla conduttanza d’uscita $hoe$ di Tr.

La misura della tensione $VL,$ eseguita con il tester nel punto $x,$ deve essere messa a calcolo per la determinazione del valore $(Vr)$ vero secondo l’espressione:

$Vr=VL(1+Ru/Ri)$

nella quale

$Ru=(R1/hoe)/(R1+1/hoe).$

Un ultimo esempio, per concludere l’argomento, è di seguito esposto.

Quarto esempio

In un circuito simile al generatore di corrente di figura 2 si debba misurare la tensione continua tra il punto $x$ e massa, i vari parametri siano: $R1=47000\ Ohm\ ;\ hoe=12\ \mu mho$

Tester da $10000\ Ohm/volt$ su scala $10\ V\ (Ri=10000\ Ohm\cdot 10\ V=100000\ Ohm)$

La misura della tensione con il tester indica $6\ Vcc$

Si può calcolare la tensione reale $Vr$ applicando la formula indicata sopra:

essendo

$Ru=(47000\ Ohm/12\ \mu mho)/(47000\ Ohm+1/12\ \mu mho)=30051\ Ohm$

si ha

$Vr=6\ V\cdot (1+30051\ Ohm/100000\ Ohm)=7.8\ Vcc$

Misure di correnti continue

Le misure di correnti continue nella circuitazione analogica sono indirizzate prevalentemente al controllo della regolarità dei consumi sulle tensioni d’alimentazione; queste operazioni si eseguono facilmente con i comuni tester e non richiedono particolari precisioni.

Se in qualche caso sono necessarie precisioni elevate si può utilizzare un milliamperometro digitale.

Si deve tener presente che la sistemazione di un tester per la misura del consumo di un circuito può, a volte, provocarne l’instabilità; ciò si evita disponendo tra il terminale del tester collegato al circuito e massa un condensatore elettrolitico di grande capacità.

È comunque opportuno che gli strumenti utilizzati per la misura delle correnti d’alimentazione vengano scollegati, subito dopo i rilievi, per non alterare il regolare funzionamento dei circuiti stessi.

Se nelle misure di corrente continua in un circuito elettronico dovessero evidenziarsi consumi molto superiori ai dati previsti dal progetto, ciò è indice di qualche anomalia quali, instabilità, componenti resistivi di valore errato, semiconduttori guasti, condensatori elettrolitici montati con polarità invertita.

In alcuni di questi casi la ricerca del componente che produce un eccessivo consumo è facilmente individuabile dal controllo della temperatura degli stessi, fatto con il dorso delle dita.

Misure di tensioni alternate

Le misure di tensioni alternate o segnali, da eseguire sulla circuitazione analogica, hanno come obiettivo il controllo dei livelli delle stesse per verificare se i guadagni o le perdite dei vari circuiti sono conformi ai dati di progetto.

Queste misure difficilmente possono essere fatte con un tester, sia per la bassa resistenza d’ingresso di questi strumenti, quando sono predisposti per misure di tensione alternata, sia per la limitata banda di frequenze misurabile.

Per eseguire rilievi di tensioni in un ampio campo di frequenze è necessario il voltmetro elettronico che abbina una elevata resistenza d’ingresso ad una banda di lavoro estesa.

Con il tester si possono invece eseguire misure di livelli di tensione per il controllo dei trasformatori di alimentazione e altre misure a bassa frequenza.

La misura di tensioni di segnale con un voltmetro elettronico è opportuno che venga sempre accompagnata da un controllo oscilloscopico contemporaneo.

In questo modo si evitano errori di lettura sul voltmetro a causa di erronei collegamenti dello stesso al circuito sotto controllo.

Per fare il riscontro con l’oscilloscopio è sufficiente collegare il suo ingresso in parallelo ai terminali di misura del voltmetro; la tensione efficace misurata da quest’ ultimo dovrà corrispondere di massima al valore picco-picco della stessa, visualizzata sull'oscilloscopio, diviso per $2.81$.

Nel procedere alle misure di tensione di segnale si deve prestare molta attenzione che i cavi di collegamento degli strumenti ai circuiti non provochino l’instabilità dei circuiti stessi ( tendenza all'innesco di oscillazioni spurie); l’impiego dell’oscilloscopio consente di verificare, tra l’altro, anche la stabilità del circuito in esame.

Molte volte di fronte ad un circuito che entra in oscillazione per la presenza degli strumenti di misura, si blocca il fenomeno inserendo tra i terminali caldi di quest’ultimi e il punto di misura una piccola resistenza da qualche migliaio di Ohm.

Nell'ambito delle misure su tensioni alternate un particolare cenno deve essere fatto nei riguardi dei segnali a larga banda (tra questi anche le tensioni di rumore).

Per misurare con precisione il livello di questi segnali dovrebbero essere utilizzati particolari voltmetri elettronici detti “ a vero valore efficace”: questo tipo di strumenti, indicando il livello della tensione in funzione del calore prodotto dai segnali e non in dipendenza della loro forma, ne esprime pertanto il valore efficace reale.

Diverso è il comportamento dei voltmetri elettronici ordinari, in corrente alternata, che indicano il livello nel presupposto che il segnale abbia una forma sinusoidale.

Dato però che non sempre è disponibile in laboratorio un voltmetro a vero valore efficace, si consiglia , per misure su segnali a larga banda, l’impiego di un voltmetro elettronico ordinario da utilizzare per livelli compresi nel primo terzo di scala.

Ad esempio: se il voltmetro è disposto su fondo scala di $10\ Veff$ e l’indice mostra che la tensione del segnale a larga banda è prossima ai $9\ Veff$conviene cambiare il fondo scala è portarlo a $30\ Veff$ in modo che l’indice si posizioni intorno ad un terzo del settore di lettura; in questo modo l’indicazione sarà più precisa di quanto non lo sarebbe prima del cambiamento di scala.

Misure di correnti alternate

Alle misure dirette di correnti alternate dei segnali sono preferibili rilievi di tensione ai capi di componenti circuitali da trasformare, mediante calcolo, nelle correnti che scorrono in essi.

Le misure indirette di corrente presentano il vantaggio di non dover sezionare il circuito per inserirvi lo strumento, operazione tanto più difficoltosa se deve essere condotta su di un circuito definitivi montato su circuito stampato.

Per il controllo di correnti alternate forti, quali quelle in gioco negli alimentatori, è consigliabile l’inserzione, in serie ai conduttori in cui fluisce detta corrente, di un amperometro in c.a. o di un tester opportunamente predisposto per tali rilievi.