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IL MULTIMETRO ANALOGICO:MISURA DITENSIONE ED INTENSITÀ DI CORRENTE IN

ALTERNATA (3)25 July 2014

Sicurezza

(Sicurezza) nella 'misura elettrica' è un aspetto che non va sottovalutato,in quantooccorre aver presente che si sta eseguendo a tutti gli effetti "un lavoro elettrico" inprossimità di circuiti elettrici e/o parti attive con i relativi rischi elettrici per i qualivanno adottate le giuste procedure,come ad esempio quella di verificare il correttofunzionamento dello strumento prima di eseguire la misura,ed i DPI previsti con loscopo di ridurre i possibili rischi elettrici.Questo aspetto avrei dovuto trattarlo nella prima parte di questa esposizione sulmultimetro analogico,ma è pur vero che in questa parte la misura elettrica interessala tensione ed intensità di corrente elettrica alternata,pertanto anche la ben notatensione di rete (230 V 50Hz),che espone in genere maggiormente ad un rischioelettrico,per il quale non bisogna mai abbassare la guardia,come meglio suggerito inquesto articolo, pertanto Attenzione!

• Utilizzare il multimetro come indicato nel relativo manuale di istruzioni,• Utilizzare sempre i terminali,le giuste posizioni dei selettori, e le portate

corrette,• Verificare il funzionamento del multimetro misurando una tensione nota,• Eseguire la prova di continuità prima di una misura di un resistore,diodo o

capacità e per quest'ultima avere l'accortezza di scaricare tutti i condensatoriad alta tensione,

• Durante la misura impugnare correttamente i puntali,avendo cura di avere ledita protette.

La misura di tensione in alternata,

come per la misura della tensione in continua,questa si esegue collegando ilmultimetro in funzione voltmetro ac e portata adeguata in derivazione al punto dimisura nel circuito elettrico o ai capi del carico sotto misura,nell'esempio che segue

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si vuole misurare la tensione ai capi di una serie di due lampade L,e successivamenteai capi di alimentazione del circuito primario di un trasformatore monofase T ...

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misura tensione ac.jpg

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occorre aver ben presente il campo di frequenza in cui si effettua la misura, questoperché gli strumenti che consentono di eseguire misure di tensione hannocaratteristiche differenti in funzione del campo di frequenza in cui la grandezza inmisura sitrova.Gli strumenti di misura di tipo magnetoelettrico,come il caso di quello analogicoche stiamo vedendo,che utilizzano un sistema di raddrizzamento ad una o duesemionde,operano in un basso campo di frequenze.

misrua tensione 230 V ac.jpg

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Il sistema di raddrizzamento ad una o due semionde prevede l’utilizzo didiodi,questi ultimi sono dispositivi a semiconduttore caratterizzati da una giunzionedi tipo PN ed una propria curva caratteristica di funzionamento,che nel caso“ideale” presenta una resistenza nulla se polarizzati direttamente (direzione anodo-catodo),ed infinita se polarizzati inversamente come rappresentato nel graficoNella pratica il diodo non assume un comportamento ideale,ma si ottiene undiagramma linearizzato come quello che segue che nella zona negativa approssimaquella ideale, e si ha una soglia di conduzione nel tratto 0-Vo; lo schemarappresentativo del diodo reale diventa quello di un diodo ideale con in serie unaresistenza Ra ed un generatore Vo

Voltmetro con raddrizzatore ad un diodo

Il voltmetro per alternata più semplice rispecchia lo schema composto da unmicroamperometro con in serie una resistenza addizionale Ri (che include anchequella dello strumento indicatore) ed un diodo anch’esso in serie, schema a.

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Ora lo strumento per effetto del diodo risulterà percorso da una sola semiondadella corrente dovuta alla tensione alternata presente ai suoi morsetti (b-c), questacorrente pulsante integrata dall’inerzia dell’equipaggio mobile non segue leoscillazioni dell’intensità di corrente ma si dispone in modo da indicarne il valoremedio.

In assenza del diodo l’intensità di corrente sinusoidale viene espressa da:

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dove i è il valore istantaneo, ed IM il valore massimo;ora poiché detta correnteviene ridotta alla sola semionda positiva dalla presenza del diodo (c) avrà un valoremedio(esteso ad un periodo)uguale alla metà di un valore medio esteso ad unsemiperiodo della sinusoide completa,ovvero:

Quindi per effetto della corrente pulsante(raddrizzamento del diodo)l’indice delmicroamperometro si muoverà di un angolo pari a quello che descrive quando vienepercorso da una corrente continua di valore uguale ad Im.

Poiché il campo di frequenze in cui viene utilizzato questo voltmetro,il valore direattanza offerto dalla bobina mobile del microamperometro è trascurabile rispettoal valore del resistore addizionale si può stabilire che il rapporto tra l’intensità dicorrente che circola nello strumento ed il valore di tensione ai suoi capi è costante eduguale ad Ri.Pertanto la misura di una tensione sinusoidale pari a v = VMsenωt corrisponde aquella indicata dallo strumento,misurando una tensione continua

Coincidente con la metà del valor medio esteso ad un semiperiodo della tensioneapplicata ai morsetti di ingresso,si può osservare che un voltmetro in alternata, nellaportata corrispondente al valore di fondo scala VM (valor massimo) equivarrà ad unvoltmetro in continua con tensione di fondo scala pari 0,318 volte VM.

Il valore efficace che si vuole misurare di una grandezza alternata vale:

quindi

poichè

si avrà

Valore efficace in alternata Continuatensione di fondo scala Vfsacorrente di fondo scala Ifsa

sensibilità

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resistenza strumento

Come è noto i multimetri si prestano a misure di tensione sia in continua che inalternata (valori efficaci) mantenendo inalterati i valori di fondo scala,ed in questopassaggio da uno all'altro tipo di misura non è sufficiente eliminare il diodo,ma sidovrnno midifcare anche i valori dei resistori addizionali.

Continua AlternataPortata................... Vfs Vfs (volt efficaci)

Corrente di fondo scala.... Ifsc

Sensibilità............... Sc

Resistenza strumento......

alcune brevi conclusioni:

• a parità di portata in tensione,la resistenza interna di uno strumento incontinua è molto maggiore di quella dello stesso strumento inalternata,significando con questo che nella misura in alternata il voltmetroassorbe un'intensità di corrente tale che introduce un errore di autoconsumomaggiore che in continua,infatti la sensibilità dello strumento in alternatarisulta essere minore che in continua;

• nella pratica gli elementi di raddrizzamento utilizzati,ovvero i diodi sonodi tipo reale,pertanto i rapporti tra i valori relativi alle misure in continuae quelle in alternata,risultano modificati particolarmente nelle portate piùbasse:

-il diodo reale ha una tensione di soglia V0 del valore di 0,2 V e 0,6 V rispettivamenteper il diodo al germanio ed il diodo al silicio,valore del quale occorre tenerne contoinquanto altera il rapporto tra la misura in continua e quella in alternata,-sempre i diodi reali hanno una corrente inversa non trascurabile seppur dell'ordinedei μA, in quanto è causa dell'attraversamento di uan parte della semionda negativanel circuito in esame, e poichè il microamperometro effettua il valor medio dellagrandezza in ingresso, vien da se che la presenza di parte della semionda negativaandrà ad alterare il valore massimo ed il valore efficace. Si corregge questo effettonei voltmetri introducendo un diodo supplementare come nello schema a seguire:

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• nella polarizzazione diretta di un diodo reale il legame tensione corrente èrappresentato da una curva caratteristica,dove superata la zona di soglia,lacorrente cresce,in funzione della tensione,seguendo un andamento nonrettilineo,il legame tensione-corrente si discosta dalla sua linearità nellazona superiore alla soglia (ginocchio),e poichè è bene non far lavorare ildiodo entro questa zona, si inserisce in derivazione allo strumento di misuraun resistore Rs (resistore shunt)con il compito di aumentare l'intensità dicorrente che circola nel diodo a parità di corrente nelmicroamperometro,l'inserimento di questo resistore determinerà però unadiminuzione della sensibilità dello strumento nel funzionamento in alternata.

Voltmetro con raddrizzatore a ponte

Lo schema che segue rappresenta quello teorico (diodi ideali) di un voltmetro conraddrizzatore a ponte,con il seguente funzionamento:

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in un generico istante della semionda positiva della tensione in misura il terminaleA si trova a potenziale maggiore del terminale B,quindi circolerà un'intensità dicorrente che passando per D2 interesserà anche lo strumento (microamperometro)ed il diodo D3 pertanto dal terminale A in quello B; mentre durante la semiondanegativa avremo il terminale B a potenziale superiore rispetto al terminale A con unintensità di corrente che circolerà da B verso A nel percorso D4 lo strumento e diodoD1.Questo significa che durante le semionde che costituiscono la tensione alternatasi avrà circolazione nello strumento indicatore di intensità di corrente nello stessoverso,verrà quindi percorso da un'intensità di corrente con andamento pulsante,checome nel caso del voltmetro ad un solo diodo lo strumento si comporterà come sefosse percorso da una corrente continua pari al valor medio della corrente pulsantestessa.

Ora se si considera costante la resistenza interna dello strumento Ri (Ri = R + rs)il valore di intensità di corrente indicato dallo strumento si traduce sulla scala in unvalore di tensione di:

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Pertanto nel confronto fra il voltmetro a ponte e quello ad un solo diodo, si ha chenel primo l'intensità di corrente ha valor medio doppio,infatti in ogni periodo si hacircolazione di due semionde anzichè una:

Vm = 0,636Vm

quindi lo strumento con una tensione sinuoidale in misura di valore massimo Vmfornisce la stessa indicazione cui darebbe luogo in corrispondenza di una tensionecontinua:

Vm = 0,636Vm

Questa considerazione è identicamente valida anche per l'intensità dicorrente,ovvero lo strumento in misura di una intensità di corrente alternata divalore massimo Im si comporta come se fosse percorso da una intensità di correntecontinua:

Im = 0,636Im

Poichè i voltmetri per la misura in alternata devono fornire il valore efficace dellatensione sinusoidale in misura,si ricava il rapporto tra il valore medio della tensione(misurato) ed il valore efficace (indicato in scala) avendo presente:

essendo

si ottiene

relazione valida anche per l'intensità di corrente.

come per il voltmetro ad un diodo,anche per il voltmetro con ponte di diodi si riportadi seguito la tabella che relaziona i parametri delle misure di valor efficace e quellein continua,a parità di tensione di fondo scala con lo stesso strumento,ed il rapportofra le resistenze addizionali che si dovranno inserire nei due casi:

Continua Alternta

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Portata Vfs Vfs(efficaci)

Corrente di fondo scala Ifsc Ifsa = 1,11Ifsc

Sensibilità

Resistenza strumento

voltmetro ad un diodo ed a ponte,vantaggi e svantaggi ...

i vantaggi nell'utilizzo del ponte raddrizzatore si possono riassumere con un'intensitàdi corrente dimezzata,una sensibilità e resistenza doppia,quindi l'utilizzo del ponteraddrizzatore porta un notevole vantaggio per quanto concerne l'assorbimento incorrente e la sensibilità dello strumento,nonchè la possibilità di eseguire anchemisure a frequenze più basse, per le quali uno strumento ad un diodo percorso da unasola semionda positiva della corrente non consentirebbe una lettura precisa a causadell'oscillazione dell'equipaggiomobile.

Gli svantaggi possono essere riassunti con la cdt introdotta dai due diodi attraversatidall'intensità di corrente in fase di misura,poichè essendo i diodi reali presenterannouna loro tensione di soglia che a differenza del voltmetro ad un diodo nel caso delponte si tradurrà in 2V0 ,con un altro svantaggio di influenzare sulla non linearità dellegame tensione-corrente particolarmente per valori vicino alla soglia (ginocchio).

La soluzione per mantenere l'utilizzo del ponte eliminando gli svantaggi si traducenello schema a seguire:

dove due dei quattro diodi sono stati sostituiti da altrettanti resistori R1 ed R2 divalore pari alla resistenza interna dello strumento.Nel funzionamento durante la semionda positiva della tensione in misura,il punto A

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si trova a potenziale maggiore rispetto al punto B e l'intensità di corrente passandodal diodo D2 arriva al nodoN, dividendosi in due parti una doppia dell'altra;quellamaggiore indicata con 2i'' attraverso R2 giunge al punto B e quella minore indicatacon i'' arriva al punto B attraverso lo strumento ed R1.

Con quest'ultimo schema si diminuisce la sensibilità dello strumento,ma rimane pursempre vantaggiosa rispetto all'utilizzo di un singolo diodo in quanto la disposizione aponte che oper ail raddrizzamento delle semionde negative consente di raddoppiarela resistenza dello strumento e la sua sensibilità.

Si è sempre considerato l'inserimento di un singolo resistore R addizionale,perottenere un valore di fondo scala desiderato per un dato microamperometro diresistenza interna e sensibilità,ma vien da se che la modifica delle portate si realizzavariando i resistori addizionali.

Di seguito lo schema del circuito voltmetrico del supertester ICE680G III serie,dovesi possono vedere i resistori addizionali inseriti in serie al microamperometro,cherealizzano le varie portate di misura,schema reperibile dal manualetto di istruzionidel mitico supertester:

La misura di intensità di corrente in alternata,

con il multimetro analogico si realizza inserendo lo strumento di misura in serie alcircuito interessato,avendo dapprima selezionato la portata corretta relativamenteal valore di ampiezza di misura,o nel caso questa non fosse nota di selezionare laportata maggiore dello strumento per ridurla graudalmente sino a leggere il valore dimisura con maggior accuratezza;per questo tipo di misura valgono le considerazioniviste pe rla misura di tensione alternata,quello che si modifica nella misura delle due

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grandezze fisiche è l'inserimento dello strumento nel circuito sotto misura (in serie)nonchè quella dei resistori per la modifica della portata (in derivazione).

Si può eseguire la misura di intensità di corrente in alternata con ilraddrizzatore ad una semionda,ovvero con un solo diodo,in tal modo solola semionda positiva della corrente in misura circola attraverso lo strumento(micoramperometro),l'equipaggio mobile di quest'ultimo esegue per effetto d'inerzial'integrazione della forma d'onda che lo attraversa e fornisce un'indicazionecorrispondente al valor medio della grandezza in misura.

se IM è il valore massimo dell'intensità di corrente in misura,lo strumento fornisceuna indicazione del valore medio:

lo strumento si comporta come se fosse attraversato da un'intensità di correntecontinua di valore Im.

Le scale degli strumenti per correnti alternate sono tarata in valore efficace dellagrandezza in misura,il rapporto tra il valor medio ed il valor efficace vale:

da cui Im = 0,449I ed inversamente I = 2,227Im pertanto uno

strumento con corrente di fondo scala Ifs (valore efficace) in alternata viene portatoa fondo scala in continua da un'intensità di corrente :

Im = 0,449I

Lo schema che segue rappresenta un amperometro per alternata conraddrizzatore a due semionde,con due diodi e shunt universale,il raddrizzatoreè realizzato con due diodi e due resistori,per ottenere i vantaggi del funzionamentoa due semionde (visti nel caso di misura di tensioni in ca) ed eliminando gliinconvenienti dovuti alla presenza dei due didoi in serie al percorso della correnteche circola nel microamperometro.

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Di seguito lo schema del circuito amperometrico del supertester ICE680G IIIserie,dove si possono vedere i resistori addizionali inseriti in derivazione almicroamperometro che realizzano le varie portate di misura,schema reperibile dalmanualetto di istruzioni del mitico supertester:

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misura dell'assorbimento in ac di una lampada ad incandescenza (25V 25 W)

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alimentata alla tensione di 24 Vac con inserimento in serie del multimetro ICE680Gin portata amperometrica ac con fsc 2,5 A

continua ... multimetro analogico: misura della resistenza

Riferimenti

• Il multimetro analogico misura di tensione e corrente in continua (2)• Il multimetro analogico(1)• FidoCadJ• Manuale per il laboratorio di misure elettroniche - F.Frascari/ R.Giometti,

Ediz.Calderini ’85.• manuale ICE680G• Wikipedia:multimetro• Due parole sul multimetro digitale (Sicurezza)

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