Le misure sui componenti elettrici passivi ed attivi

Misure sui componenti passivi e attivi

Una numerosa ed utile serie di misure può essere condotta sui componenti passivi e attivi per il controllo delle loro caratteristiche; questi rilievi si basano essenzialmente sull'uso del tester predisposto per la misura delle resistenze.

Componenti resistivi

Per queste operazioni è necessario, il più delle volte, che il componente da controllare sia disconnesso dal circuito in cui è saldato.

Il valore ohmico di un resistore può non corrispondere al dato nominale per diverse cause tra le quali le più probabili:

• eccessivo stress termico o un difetto costruttivo.

La tecnica di misura delle resistenze ohmiche non richiede particolari accorgimenti, salvo per resistori di valore superiore a circa $470000\ Ohm$, per i quali è opportuno non tenere tra le dita i reofori, durante la misura, per non alterarne il valore ponendone in parallelo, inavvertitamente, la resistenza elettrica del corpo.

Componenti capacitivi

Il tester consente di misurare, indicativamente, la funzionalità dei condensatori (un condensatore può non funzionare per interruzione del collegamento interno dei reofori) controllandone il processo di carica e di scarica ; disponendo lo strumento per la misura delle resistenze di più alto valore e ponendo i suoi terminali ai capi di un condensatore, si vedrà l’indice indicare un breve passaggio di corrente per poi ritornare ad indicare resistenza nulla.

Ripetendo l’operazione, dopo aver invertito la polarità dei terminali, si osserverà ancora un picco di corrente ad indicare che il condensatore ha un comportamento regolare.

Se durante questo controllo l’indice del tester rimane a segnalare un qualsiasi valore di resistenza il condensatore è da sostituire.

Componenti induttivi

Il controllo dei componenti induttivi con il tester è limitato soltanto alla la verifica della continuità degli avvolgimenti e per il rilievo, qualora sussistano dubbi sulla correttezza degli avvolgimenti, della resistenza ohmica attesa in base ai dati di progetto.

In alcuni casi se necessario, disponendo di un tester adatto (strumento in grado di misurare resistenze dell’ordine di decine di mega Ohm), si possono controllare le resistenze d’isolamento, a bassa tensione, tra i vari avvolgimenti.

Componenti attivi

Il tester può essere utile per il controllo indicativo della funzionalità di due componenti attivi quali diodi e transistori; grazie infatti alle caratteristiche delle giunzioni, che presentano resistenze elettriche molto diverse in dipendenza della polarità delle tensioni applicate, è possibile un loro rapido controllo.

Se con il tester misuriamo la resistenza di conduzione di un diodo, applicando il terminale positivo dello strumento sull'anodo e l’altro sul catodo, si devono misurare valori dell’ordine di pochi Ohm.

Rovesciando la polarità dei terminali, in modo che l’anodo abbia tensione negativa ed il catodo tensione positiva, si devono misurare valori dell’ordine di alcune migliaia di Ohm; se queste condizioni sono verificate si può ritenere che il funzionamento del diodo sia regolare.

Nel caso in cui non si verifichi conduzione o non ci sia differenza tra le due condizioni di polarizzazione del diodo significa che quest’ultimo ha la giunzione distrutta.

Un controllo del tutto simile a quello dei diodi può essere esteso ai transistori; in un transistore NPN , collegando il terminale positivo del tester alla base, si potrà verificare la conduzione base emettitore e base collettore misurando, in entrambi i casi, valori di resistenza di pochi di Ohm.

Invertendo la polarità dello strumento sulla base, si dovranno riscontrare valori dell’ordine di migliaia di Ohm per le due giunzioni (questi valori sono indicativi per transistori di piccola potenza, per semiconduttori per potenze elevate i valori sono molto inferiori).

Qualora una od entrambe le giunzioni non conducessero o non mostrassero differenza di resistenza per polarità invertite, il transistore sarebbe da ritenersi distrutto.

Per il controllo dei transistori PNP la procedura è analoga alla precedente salvo la polarità da assegnare alla base, per la conduzione delle giunzioni, che deve essere invertita.

Un secondo controllo veloce, a complemento dei precedenti, da eseguire su di un transistore NPN può essere realizzato collegando i terminali del tester, disposto come ohmetro, con il positivo sul collettore e il negativo sull’emettitore avendo cura di tenere la base collegata all'emettitore stesso; in queste condizioni il transistore non deve condurre.

Scollegando la base dall'emettitore e collegandola al collettore il transistore deve mostrare piena conduzione.

Con polarità invertite lo stesso controllo può essere fatto su transistori tipo PNP.

È opportuno precisare che nessuna delle procedure sopra elencate può essere applicata ai circuiti integrati che non possono in alcun modo essere controllati così semplicemente.

Misure sui circuiti accordati

Con una attrezzatura di gran lunga superiore al singolo tester si possono eseguire misure elettriche sui circuiti accordati di bassa frequenza (circuiti risonanti) richiedono una minima attrezzatura ed una sensibile esperienza per ottenere risultati apprezzabili.

I rilievi da condurre su questi circuiti hanno i seguenti obiettivi:

• taratura dei componenti.
• misura della frequenza di risonanza.
• misura del coefficiente di merito.
• rilievo della curva di risposta.

Le misure possono interessare componenti reattivi L e C di circuiti accordati parallelo o circuiti accordati serie che, per valori del coefficiente di merito $Q>10$, possono essere tarati e controllati disponendoli sempre in parallelo, come viene mostrato di seguito.

Per l’esecuzione delle misure è necessario attrezzare un posto di lavoro con gli strumenti ed i collegamenti riportati in figura 1

figura 1

La figura mostra l’impiego di tre strumenti quali:

• generatore di segnali sinusoidali.
• frequenzimetro per la misura della frequenza emessa dal generatore.
• millivoltmetro elettronico in corrente alternata ad alta impedenza $(Z>10\ MOhm)$ ( per questo strumento è consigliato un modello ad indice invece che a display digitale, con il primo si riesce più facilmente a seguire le variazioni d’ampiezza nelle fasi di taratura dei circuiti risonanti).

Al centro del disegno è tracciato lo schema del circuito risonante parallelo sul quale devono essere effettuate le misure; il circuito è eccitato dal generatore attraverso la resistenza Rs le cui caratteristiche saranno di seguito definite.

I diversi collegamenti indicati nello schema devono essere realizzati con conduttori il più corti possibili avendo cura di collegare la zona di massa alla piastra schermante in dotazione al posto di lavoro.

I conduttori che fanno capo al circuito risonante devono essere fissati a quest’ultimo o con pinzette di ottima qualità o, meglio, con saldature a stagno.

Le misure sul circuito risonante devono essere precedute da un’accurata valutazione delle caratteristiche di progetto del circuito e dei parametri che si vogliono rilevare, per poi proseguire ai rilievi previsti, così come mostra l’esempio seguente.

Esempio di una procedura di misura su di un circuito risonante parallelo

La procedura deve iniziare con l’esame dei dati di progetto del circuito risonante; supponiamo che questi siano:

• Frequenza di risonanza voluta $Fo=14536\ Hz$
• Valore dell’induttanza costruita $L=0.012\ H$
• Valore della capacità assegnata $C=10000\ pF$
• Valore stimato del coefficiente di merito $Q=100$

Le ragioni che richiedono la taratura del circuito risonante sono così motivate:

La frequenza di risonanza $Fo$ è il valore per il quale il progetto ha indicato la costruzione di un’induttanza da $0.012\ H$ e l’impiego di un condensatore da $10000\ pF.$

L’induttanza è stata realizzata, avvolgendo il numero calcolato delle spire, per ottenere il valore di $0.012\ H$ , una volta aggiustata correttamente la mina di taratura del nucleo in ferrite entro il $\pm 7\%$ concesso a tale regolazione ( le regolazioni possono variare dal $\pm 5\%\ al\ \pm 10\%$ in dipendenza del tipo di nuclei).

Il condensatore è stato selezionato con tolleranza del $\pm 1\%$ del valore nominale di $10000\ pF$.

In presenza delle tolleranze di cui abbiamo accennato si comprende come i due componenti, una volta collegati, richiedano un’accurata taratura per ottenere la frequenza di risonanza voluta, taratura affidata esclusivamente al posizionamento della mina mediante rotazione all'interno del nucleo.

La taratura si realizza quando si verifica l’uguaglianza:

$2\cdot \pi \cdot Fo\cdot L=1/(2\cdot \pi \cdot Fo\cdot C)$

Per eseguire le misure sul circuito risonante si deve dimensionare opportunamente il resistore $Rs$ affinché questo possa iniettare nel circuito la corrente richiesta senza alterarne sensibilmente la resistenza dinamica ($Rs$ simula approssimativamente un generatore di corrente).

Il valore di $Rd$ si calcola, nell'ipotesi di $Q=100$ indicato a progetto, con l’espressione:

$Rd=Q\cdot 2\cdot \pi \cdot Fo\cdot L$

quindi:

$Rd=100\cdot 2\cdot 3.14\cdot 14536\ Hz\cdot 0.012\ H=109543\ Ohm$

accettando una variazione del $10\%\ di\ Rd$ si potrà porre $Rs=10\cdot Rd\approx 1\ MOhm.$

Definito il valore di $Rs$ si procede al calcolo indicativo della tensione sinusoidale $(Vg)$ che dovrà essere applicata a $Rs$ dal generatore.

$Vg$ è legata al valore desiderato di tensione $(Vcs)$, ai capi del circuito risonante.

Affinché si possano eseguire misure a livelli ragionevoli, né troppo piccoli che sarebbero di difficile misurazione, né troppo grandi che potrebbero portare in saturazione l’induttanza; un livello di tensione massima $(Vcs)$ di $1\ Veff$ è un valore accettabile.

La tensione fornita dal generatore si può calcolare con la formula:

$Vg=Vcs\cdot (Rs+Rd)/Rd$

che con i dati a nostra disposizione diventa:

$Vg=1\ Veff\cdot (1000000\ Ohm+109543\ Ohm)/109543\ Ohm=10.1\ Veff$

Con il calcolo di $Vg$ finisce l’attività preliminare di calcolo ed iniziano le misure secondo il seguente protocollo:

• 1 Si accendono i tre strumenti di misura e si verifica che i loro collegamenti al circuito di misura siano conformi allo schema elettrico di figura 1.

• 2 Controllando il generatore con il frequenzimetro s’imposta con il primo la frequenza

$Fo=14536\ Hz.$

• 3 Si regola il generatore per livello di $Vg=10\ Veff$

• 4 Si procede ad una prima lettura di $Vcs$ con il voltmetro elettronico, il livello misurato potrà essere inferiore ad $1\ Veff.$

• 5 Si ruota lentamente la mina di regolazione dell’induttanza $L$ fino ad ottenere il massimo di $Vcs,$ si otterrà $Vcs=1.2\ Veff.$

• 6 Ottenuto il massimo di $Vcs,$ si ruota ulteriormente la mina di regolazione nello stesso senso del passo precedente: si deve ottenere un decremento di $Vcs.$

Si ruota poi in senso inverso la mina per ottenere nuovamente il massimo di $Vcs=1.2\ Veff$ (con questa azione si è proceduto alla taratura dei componenti ed alla misura della frequenza di risonanza).

• 7 Proseguiamo le operazioni sul circuito risonante con la misura del coefficiente di merito $Q$ da confrontare con il valore di progetto di $Q=100.$

Per far ciò incrementiamo la frequenza del generatore fino a quando la tensione $Vcs$ decrementa di $0.7\ volte(-3\ dB)$ rispetto al suo massimo (si passa da $Vcs=1.2\ Veff\ a\ Vcs=0.84\ Veff)$; si annota il valore della frequenza: $F1=14616\ Hz.$

Si riporta il generatore alla frequenza $Fo=14536\ Hz$ e si controlla il valore di risonanza $Vcs=1.2\ Veff.$

Si decrementa il valore frequenza del generatore fino a quando la tensione $Vcs$ decrementa di $0.7\ volte(-3\ dB)$ rispetto al suo massimo (si passa da $Vcs=1.2\ Veff.\ a\ Vcs=0.84\ Veff$); si annota il valore della nuova frequenza: $F2=14456\ Hz.$

Si riporta il generatore alla frequenza $Fo.$

• 8 Con i dati delle frequenze rilevate al punto precedente si calcola il valore del coefficiente di merito con la formula:

$Q=Fo/(F1{-}F2)$

che con i dati rilevati fornisce:

$Q=14536\ Hz/(14616\ Hz{-}14456\ Hz)=90.8$

Il valore misurato del $Q,$ inferiore di circa il $10\%$ di quello calcolato a progetto si può ritenere congruente con il teorico dato che la misura risente della presenza di $Rs$ che incide nella riduzione del $Q$ sperimentale.

Si osservi che la differenza tra $F1\ ed\ F2$ è assimilabile alla larghezza di banda del circuito risonante visto come filtro; questa viene espressa con il simbolo $Df$ secondo l’espressione:

$Df=F1{-}F2$ che per il nostro circuito vale : $Df=14616\ Hz{-}14456\ Hz=160\ Hz$

• 9 L’ultimo passo che conclude le misure sul circuito risonante è relativo al tracciamento della sua curva di risposta che si esegue variando la frequenza del generatore nel campo di frequenze e ad intervalli prescelti, e annotando, per ciascuno di questi il livello di $Vcs$ da riportare successivamente su apposito diagramma cartesiano.

Osservazioni

A seguito della procedura è opportuno evidenziare una particolare situazione che può verificarsi, durante le misure sui componenti $L\ e\ C,$ se, per errore costruttivo, il valore di $L$ non è quello previsto dal progetto del circuito risonante.

Ciò può accadere, con più probabilità, quando, non disponendo in laboratorio di un ponte di misura per le induttanze, si affida il controllo dei componenti alla fase di taratura del circuito risonante; in questo caso, eventuali errori sull'induttanza emergono durante le operazioni indicate ai punti 5) e 6) del citato esercizio.

Per comprendere se l’errore d’avvolgimento in $L$ è dovuto per eccesso o per difetto di spire d’avvolgimento si consiglia la seguente procedura che riprende dal punto 6) dell’esercizio precedente:

• 6 Ottenuto il massimo di $Vcs$ si ruota ulteriormente la mina di regolazione nello stesso senso e non si ottiene alcun decremento di $Vcs:$ questo indica che non siamo riusciti ad accordare il circuito.

• 7 Si ruota la mina di regolazione portandola a circa metà corsa, si varia la frequenza del generatore per valori superiori ed inferiori a $Fo=14536\ Hz$ cercando la frequenza per la quale si ha un massimo netto di $Vcs.$

Se detta operazione porta, ad esempio, ad una frequenza $Fi=13212\ Hz$ , essendo $Fi<Fo$ significa che l’induttanza ha un valore superiore a quello richiesto.

Se invece l’accordo del circuito porta, ad esempio, $Fs=5989\ Hz,$ essendo $Fs>Fo$ significa che l’induttanza ha un valore inferiore a quello richiesto.

• 8 Nel caso che si abbia $Fi<Fo$ è facile smontare l’induttore per ridurne le spire nel rapporto $Fo/Fi$ come segue:

$Nr=N[1{-}(Fi/Fo)]$

Se l’induttore doveva avere, ad esempio, $145$ spire dovremmo ridurre l’avvolgimento attuale di $Nr$ spire:

$Nr=145\cdot [1{-}(13212/14536)]=13$ spire

• 9 Nel caso che si abbia $Fs>Fo$ è necessario costruire un nuovo avvolgimento dell’induttore prestando attenzione nel conteggio delle spire.