Note sulle apparecchiature - IIS Falcone

LABORATORIO DI ELETTRONICA
Note sulle apparecchiature elettroniche
In ambito laboratoriale riveste particolare importanza la conoscenza delle apparecchiature elettroniche
che vengono utilizzate nella normale pratica sperimentale, siano essi generatori oppure strumenti.
Le apparecchiature elettroniche nel loro insieme sono caratterizzate da parametri fondamentali che
devono però essere valutati nel rispetto delle caratteristiche del dispositivo.
Generatori
Spesso è necessario disporre di apparecchiature in grado di fornire grandezze fsiche defnite oppure
segnali specifci. Le grandezze fsiche utilizzate principalmente sono quelle legate all’energia elettrica e il
principale generatore di questo tipo è rappresentato dall’alimentatore stabilizzato (power supply), in
grado di fornire tensioni di alimentazione continua, sia fsse che variabili. In genere si tratta di
apparecchiature in grado di trasformare la tensione alternata fornita dalle linee di distribuzione
dell’energia elettrica, riducendone notevolmente il valore e fornendo di conseguenza anche un
quantitativo specifco di corrente a seconda del carico collegato.
In ambito elettronico è infatti di primaria
importanza disporre di una sorgente di tensione
continua, in quanto tutti i circuiti realizzati con
componenti attivi richiedono una tensione
costante e prestabilita per la loro alimentazione.
Tale compito non può sempre essere svolto da una
batteria, in quanto sono a volte richieste precise
Figura 1. A sinistra il simbolo grafico per un
caratteristiche, quali possibilità di regolazione,
generatore di tensione continua; a destra il
simbolo grafico per una comune batteria.
buona stabilità nel tempo e indipendenza della
tensione erogata dal carico applicato.
Gli alimentatori si possono distinguere i non stabilizzati (quando la tensione fornita in uscita non
rimane costante al variare della tensione di rete o al variare del carico) e stabilizzati, i quali a loro volta
possono fornire un valore fsso o regolabile in un campo più o meno esteso. Nel caso di alimentatori
fssi, il dispositivo può essere inserito all’interno di apparecchiature e perciò è dedicato solo al suo
funzionamento, mentre gli alimentatori regolabili sono tipicamente utilizzati nella pratica sperimentale.
Figura 2. Schema a blocchi di un alimentatore stabilizzato con rappresentazione
delle fdo in uscita dei singoli blocchi.
Giorgio Ginelli
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Classe terza
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Gli stadi fondamentali di funzionamento per un alimentatore stabilizzato sono quattro e sono sottoposti
a fattori principali quali le caratteristiche della rete di distribuzione dell’energia, del carico da alimentare
o da restrizioni particolari imposti dai dispositivi per cui l’alimentatore deve essere utilizzato. Facendo
riferimento alla Figura 2 le loro funzioni possono essere riassunte come descritto a seguito.
• Trasformatore. È un componente che provvede all’abbassamento della tensione di rete
monofase o trifase (230V/380V 50 Hz) e alla separazione galvanica (isolamento del segnale)
dei successivi stadi dalla rete di distribuzione.
• Raddrizzatore. Una struttura in grado di convertire il segnale alternato in un segnale
pulsante di valor medio diverso da zero.
• Filtro. In genere è composto da un condensatore, dimensionato in modo da livellare il
segnale pulsante in uscita dal raddrizzatore, ottimizzandolo entro un limite prestabilito di
ondulazione residua (ripple).
• Regolatore. È un dispositivo necessario a stabilizzare il valore della tensione d’uscita e
renderlo poco sensibile alle variazioni del carico.
I parametri fondamentali di un alimentatore stabilizzato regolabile, sono riferiti al suo comportamento
elettrico e sono legati alle tensioni e alle correnti che entrano in gioco durante il suo funzionamento.
La massima tensione d’uscita (fxed output voltage) è il valore massimo di tensione continua che
l’alimentatore è in grado di fornire attraverso l’apposito circuito di regolazione presente
nell’apparecchiatura.
La massima corrente d’uscita (maximum output current) è indicata come il massimo valore di corrente
che l’alimentatore può fornire al carico applicato ai morsetti d’uscita; generalmente un’alimentatore
stabilizzato è provvisto di un limitatore di corrente, che ha il compito di evitare che la corrente erogata
dal carico superi un valore predefnito. La presenza di questo dispositivo è di particolare importanza
nelle apparecchiature dedicate alla pratica di laboratorio, in quanto è la parte di circuito che ha il
compito di evitare che la corrente erogata al carico superi un valore predefnito. L’intervento di questo
blocco sulla caratteristica tensione-corrente può avvenire in diferenti tipi a seconda delle esigenze a cui è
destinato l’alimentatore.
Le regolazioni rispetto alle variazioni della rete o del carico sono parametri che rappresentano la
sensibilità dell’uscita rispetto alle futtuazioni della tensione di rete oppure in corrispondenza di una
variazione della corrente erogata. Si tratta di valori espressi in percentuale.
L’ondulazione residua di uscita (ripple) esprime la misura della variazione che subisce la tensione di
uscita rispetto al suo valore continuo costante; in genere si tratta di valori compresi fra poche frazioni e
qualche decina di mV. Può essere valutato anche in percentuale, come il rapporto tra l’ondulazione
residua del segnale alternato e il valore continuo d’uscita.
L’impedenza d’uscita (output impedance) è un parametro che rappresenta la qualità dell’alimentatore:
più basso è il valore e migliori sono le prestazioni. Di norma sono indicati i valori intrinseci della
resistenza e dell’induttanza equivalente.
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Altra fondamentale necessità nell’attività sperimentale è il poter disporre di sorgenti versatili per la
generazione di forme d’onda da applicare all’ingresso dei circuiti per il collaudo o l’analisi.
In ambito digitale i segnali devono essere di tipo impulsivo, in grado cioè di simulare un comando a due
livelli ON-OFF, in quanto questi sono i principali segnali di comando.
Il generatore d’impulsi (pulse generator) è lo strumento che viene impiegato per generare questi segnali,
che sono caratterizzato dalla possibilità di modifcarne la durata, il tempo di salita (o pendenza) e
l’ampiezza, oltre naturalmente alla frequenza (o periodo).
In ambito analogico si ha invece spesso la necessità
di disporre di fdo di tipo continuo e diversifcato.
Un tradizionale generatore di funzioni (function
generator) permette di ottenere onde di tipo
triangolari, quadrate e sinusoidali, ma anche
rettangolari e a rampa (dente di sega). Possono
essere suddivisi in due grandi categorie: in bassa
Figura 3. Simboli elettrici del generatore di
funzione specializzato per i segnali prodotti:
frequenza (per segnali non superiori a qualche
[A] fdo triangolare, [B] fdo quadra o
MHz) e in alta frequenza (in grado di generare
impulsiva, [C] fdo sinusoidale.
segnali non inferiori a qualche decina di kHz).
I parametri fondamentali di questa tipologia di apparecchiature sono legati al tipo di segnale che viene
prodotto, ma hanno comunque caratteristiche di tipo generale.
• Banda in frequenza (frequency range). Rappresenta l’intervallo di frequenza dei segnali
prodotti; normalmente è compresa fra circa 1 Hz e qualche decina di MHz.
• Stabilità in frequenza (stability o drift). Rappresenta il valore percentuale si scostamento in
frequenza tra il segnale impostato inizialmente e quello generato dopo un tempo
prestabilito.
• Tempo di salita e di discesa (rise and fall time). Sono parametri relativi alla do quadra e
tipicamente assumono valori prossimi a 20 ns.
• Ampiezza (AC level). La tensione di uscita delle do può variare in genere da pochi volt piccopicco fno a qualche decina, regolabili con continuità.
Strumenti di misura
Grandezze fsiche e segnali devono poter essere compiutamente misurati, inducendo il minor errore
possibile nell’operazione. Per fare ciò sono disponibili numerosi strumenti elettromeccaniche ed
elettronici, che variano notevolmente tra loro sia nei principi di funzionamento che nei parametri
caratteristici.
Uno strumento di misura elettromeccanico è caratterizzato da un trasduttore che ha il compito di
convertire un segnale elettrico in un movimento meccanico proporzionale. In pratica viene fatto
muovere un indice su una scala in funzione del valore delle grandezza in esame e su una scala graduata si
legge lo spostamento dell’indice per determinarne il valore.
In uno strumento elettronico la misura della grandezza elettrica è efettuata da un sistema complesso
formato da numerosi componenti a semiconduttore. Il principio di funzionamento è basato in genere su
particolari tecniche di conversione e di elaborazione dei segnali. La presentazione dei risultati avviene
ormai quasi esclusivamente mediante un display numerico, fornendo così una lettura immediata ed
evitando i tipici errori di parallasse dei sistemi basati su indice e scala.
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Per la misura dei segnali elettrici si fa ampio uso di uno strumento che riunisce in uno unico la
possibilità di efettuare misure di resistenza, tensione e corrente, sia in regime alternato che continuo.
Nel caso di un multimetro digitale (digital multimeter)
la misura è basata sull’elaborazione di una tensione
continua, proporzionale alla grandezza misurata, che
viene presentata su un display numerico a tre o cinque
cifre. Nel caso di misura di corrente entra in funzione un
blocco convertitore costituito in linea di principio da un
resistore posto in serie al circuito in esame che viene
Figura 4. Simboli elettrici delle diverse
percorso dalla corrente incognita; la tensione ai capi del
funzioni di misura di un multimetro:
resistore viene letta e viene fornita sul display il valore
[A] ohmetro, [B] volmetro, [C]
proporzionale pari a I = V/R.
amperometro.
I parametri fondamentali di un multimetro digitale sono riferiti al tipo di misure che possono essere
efettuate: tensione continua (DC voltage), tensione alternata (AC voltage), corrente continua (DC
current), corrente alternata (AC current) e resistenza (resistance). Per ogni parametro variano portate e
sensibilità a seconda della qualità dello strumento.
Un’ulteriore e importante tipologia di strumenti è quella dedicata ai segnali; in questo caso si deve
ricorrere a uno strumento che consenta anche la visualizzazione grafca del segnale stesso, per poterne
misurare i parametri caratteristici (periodo e ampiezza).
L’oscilloscopio (oscilloscope) è uno strumento che
visualizza su un piano cartesiano l’andamento della
tensione in funzione del tempo. Le fdo che vengono
tracciate sullo schermo si possono interpretare in modo
da dedurre correttamente i valori che le defniscono.
Figura 5. Simboli elettrici dei canali di
L’osservazione della fdo permette anche di valutare in
un'oscilloscopio a doppia traccia.
modo immediato la presenza di anomalie o distorsioni
rispetto all’andamento ideale.
L’estrema versatilità dello strumento è sottolineata dalle molteplici misurazioni che si possono efettuare
interpretando la do sullo schermo: misura diretta di valori istantanei, periodo, durata e misura indiretta
di frequenze relative a generici segnali.
In alcune situazioni è inoltre possibile confrontare fra loro due segnali sinusoidali, in modo da
determinarne ad esempio l’anticipo o il ritardo.
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