La misura delle grandezze elettriche è un'attività fondamentale per chiunque lavori nel campo dell'elettronica o dell'elettrotecnica. Che si tratti di verificare il corretto funzionamento di un circuito o di diagnosticare un guasto, conoscere i valori di corrente, tensione e resistenza è essenziale per un tecnico. Queste grandezze, che possono sembrare astratte in teoria, sono il cuore pulsante di ogni impianto elettrico.
Finora abbiamo parlato delle principali grandezze elettriche e delle loro unità di misura. In questa sezione, approfondiremo gli strumenti principali che permettono di misurare con precisione queste grandezze e come utilizzarli correttamente. Vedremo anche come scegliere lo strumento giusto in base al tipo di circuito e alla specifica applicazione.
Come si misura la corrente.
La corrente si misura sfruttando uno degli effetti che produce quando passa attraverso un conduttore. Il metodo più usato è basato sull'effetto magnetico, cioè la capacità della corrente di creare un campo magnetico intorno ai fili che attraversa.
In pratica, si fa passare la corrente dentro una bobina. Il campo magnetico generato fa comportare la bobina come se fosse un piccolo magnete. Come per i magneti, i poli opposti della bobina e del campo esterno si attraggono, mentre quelli uguali si respingono. Questo fenomeno permette di usare una bobina mobile per misurare la corrente.
Quando la corrente attraversa la bobina, questa ruota grazie alle forze di attrazione e repulsione tra i poli della bobina e quelli di un magnete esterno. La rotazione si ferma quando le forze in gioco raggiungono un equilibrio.
Lo strumento a bobina mobile.
Per sfruttare questo principio, è stato sviluppato uno strumento chiamato milliamperometro.
Al suo interno, una bobina mobile è collegata a un indicatore che si muove su una scala graduata. La posizione dell'indicatore mostra il valore della corrente che attraversa lo strumento.
La bobina è circondata da un magnete permanente, progettato per creare un campo magnetico forte e uniforme. Questo consente di misurare correnti molto basse, anche dell'ordine dei milliampere (mA). Per evitare che la bobina ruoti eccessivamente, vengono utilizzate delle piccole molle chiamate molle antagoniste, che contrastano il movimento.
Come funziona il milliamperometro.
Quando nessuna corrente attraversa lo strumento, l'indicatore si trova nella posizione di riposo, che corrisponde allo zero sulla scala. Se la corrente passa, la bobina ruota e l'indicatore si sposta verso destra, mostrando il valore della corrente. Più è alta la corrente, maggiore sarà la rotazione della bobina.
Tuttavia, se la corrente supera la capacità massima dello strumento (chiamata fondo scala), il dispositivo può danneggiarsi. Ad esempio, se lo strumento è progettato per misurare fino a 10 mA e viene attraversato da 20 mA, l'indicatore si muove troppo rapidamente e rischia di deformarsi.
Per misurare una corrente, il milliamperometro deve essere collegato in serie al circuito. Questo significa che la corrente che circola nel circuito deve passare anche attraverso lo strumento.
Ad esempio, se abbiamo un circuito alimentato con una tensione di 20 volt e una resistenza totale di 2 kΩ, possiamo calcolare la corrente con la formula:
I = VR = 202000 = 10 mA
Inserendo un milliamperometro con una resistenza interna di 500 Ω, il valore complessivo della resistenza del circuito aumenterà a 2,5 kΩ. Questo ridurrà la corrente a 8 mA, causando un piccolo errore nella misura. Per ridurre questo effetto, è meglio usare strumenti con una resistenza interna più bassa.
Se dobbiamo misurare correnti superiori al fondo scala dello strumento, possiamo usare un shunt. Si tratta di una resistenza collegata in parallelo al milliamperometro, che devia parte della corrente.
Ad esempio, se il nostro strumento misura fino a 10 mA ma la corrente è di 20 mA, possiamo usare uno shunt con la stessa resistenza interna dello strumento. In questo modo, metà della corrente attraversa il milliamperometro (10 mA) e metà lo shunt (10 mA), senza superare i limiti dello strumento.
Per misurare correnti ancora più grandi, basta ridurre ulteriormente la resistenza dello shunt rispetto a quella dello strumento. Ad esempio, uno shunt con una resistenza quattro volte più bassa permette di quintuplicare la portata.
Ogni milliamperometro ha una sua resistenza interna, dovuta al filo avvolto nella bobina. Questa resistenza può influenzare la misura, specialmente se è troppo alta rispetto alla resistenza del circuito in cui lo strumento è inserito.
Ad esempio, se lo strumento ha una resistenza interna di 10 Ω, il suo impatto sul circuito sarà minimo. In questo caso, la misura della corrente sarà molto vicina al valore reale. Ma se la resistenza interna è elevata, lo strumento può alterare il funzionamento del circuito, riducendo la corrente totale.
Per ottenere misure più precise, è importante scegliere uno strumento con una resistenza interna bassa, soprattutto quando si lavora con correnti deboli o circuiti ad alta resistenza.
Quando si collega il milliamperometro, bisogna rispettare la direzione della corrente. Questo perché il movimento dell'indicatore dipende dal verso in cui la corrente attraversa la bobina.
Se la corrente scorre nel verso sbagliato, l'indicatore si sposterà verso sinistra, andando fuori scala e rendendo impossibile la lettura. Per evitare questo problema, il costruttore segna i terminali dello strumento con i simboli + e -, indicando il senso corretto della corrente.
Gli strumenti a bobina mobile non possono misurare direttamente le correnti alternate. Questo perché una corrente alternata cambia continuamente direzione, facendo oscillare l’indicatore avanti e indietro senza mostrare un valore stabile.
Per ovviare a questo problema, si possono usare due diodi per “rettificare” la corrente, cioè per farla scorrere in un unico senso all'interno dello strumento. In questo modo, anche una corrente alternata può essere misurata.
Estendere la portata del milliamperometro.
Come già accennato, per misurare correnti superiori alla capacità massima dello strumento, si utilizza un resistore shunt. Lo shunt è collegato in parallelo al milliamperometro e permette a una parte della corrente di bypassare lo strumento, evitando che venga danneggiato.
Se, ad esempio, il nostro milliamperometro ha una resistenza interna di 10 Ω e una portata di 10 mA, ma dobbiamo misurare una corrente di 20 mA, possiamo usare uno shunt con una resistenza di 10 Ω.
In questa configurazione:
- La corrente totale di 20 mA si divide in due: metà attraversa lo strumento (10 mA) e metà lo shunt (10 mA).
- Lo strumento mostra 10 mA, ma sappiamo che il valore effettivo è il doppio.
Se invece vogliamo misurare correnti fino a 50 mA, lo shunt deve avere una resistenza cinque volte più bassa di quella dello strumento. Ad esempio, se la resistenza interna del milliamperometro è di 10 Ω, lo shunt deve avere una resistenza di 2,5 Ω.
In questa configurazione:
- Per una corrente totale di 50 mA, 10 mA attraversano lo strumento e 40 mA passano attraverso lo shunt.
- Lo strumento mostra 10 mA, ma moltiplicando per 5 otteniamo la corrente reale.
In generale, per estendere la portata di uno strumento:
- Se vuoi raddoppiare la portata, lo shunt deve avere la stessa resistenza interna dello strumento.
- Se vuoi aumentare la portata di un fattore 𝑛, lo shunt deve avere una resistenza 𝑛-volte più bassa rispetto a quella interna dello strumento.
Gli strumenti a bobina mobile possono essere utilizzati anche per misurare correnti molto piccole, come quelle dell’ordine dei microampere (µA). Questi dispositivi sono chiamati microamperometri e funzionano con lo stesso principio dei milliamperometri, ma sono progettati per rilevare correnti estremamente deboli.
Misurare la tensione.
Per misurare la tensione in un circuito, si utilizza un voltmetro, che funziona in modo simile al milliamperometro, ma è progettato per rilevare differenze di potenziale.
A differenza del milliamperometro, che va collegato in serie, il voltmetro si collega in parallelo al punto del circuito dove si vuole misurare la tensione. Questo perché deve rilevare la differenza di potenziale tra due punti senza influenzare il circuito stesso.
Un buon voltmetro deve avere una resistenza interna molto alta. In questo modo, assorbe una corrente minima e non altera il circuito in cui è inserito.
Ad esempio:
Se colleghiamo un voltmetro con una resistenza interna bassa, potrebbe far circolare una corrente significativa, cambiando i valori reali del circuito.
Con una resistenza interna alta, il voltmetro misura la tensione con maggiore precisione, senza interferenze.
Un microamperometro, con una resistenza interna alta, può essere utilizzato come voltmetro. Per farlo, si inseriscono dei resistori in serie con lo strumento.
Questi resistori limitano la corrente che attraversa il dispositivo, permettendo di misurare tensioni più elevate senza danneggiare lo strumento.
Ad esempio, se vogliamo misurare una tensione di 10 V utilizzando uno strumento con fondo scala a 1 mA:
- Calcoliamo la resistenza necessaria con la legge di Ohm:
R = VI = 100,001 = 10.000 Ω - Inseriamo un resistore da 10 kΩ in serie allo strumento. In questo modo, quando il voltmetro misura una corrente di 1 mA, sappiamo che la tensione applicata è di 10 V.
Analogamente al milliamperometro, la portata di un voltmetro può essere estesa utilizzando resistori aggiuntivi. Aumentando il valore del resistore in serie, si possono misurare tensioni più alte, mantenendo lo stesso fondo scala dello strumento.
Misurare la resistenza.
Per misurare la resistenza di un componente o di un circuito, si utilizza un ohmmetro. Questo strumento si basa sul principio che la resistenza può essere determinata misurando la corrente che circola in un circuito alimentato da una tensione nota.
Funzionamento dell’ohmmetro.
L’ohmmetro contiene una batteria interna che fornisce una tensione.
Quando lo strumento è collegato al componente da misurare, la corrente che attraversa il circuito dipende dalla resistenza del componente.
Lo strumento rileva questa corrente e, tramite una scala calibrata, mostra direttamente il valore della resistenza.
Strumenti multifunzione: il Multimetro.
Un multimetro combina in un unico dispositivo le funzionalità di milliamperometro, voltmetro e ohmmetro. Questo strumento è molto utile per i tecnici, poiché consente di effettuare diverse misure senza dover cambiare strumento.
Il multimetro ha un selettore che permette di scegliere il tipo di misura: corrente, tensione o resistenza. Inoltre, offre diverse scale per adattarsi al valore che si intende misurare.
Uso corretto del multimetro.
- Imposta la scala corretta: Se il valore da misurare non è noto, inizia con la scala più alta per evitare di danneggiare lo strumento.
- Rispetta la polarità: Quando misuri correnti o tensioni continue, collega correttamente i terminali positivo (+) e negativo (−).
- Manutenzione: Controlla regolarmente lo stato dei cavi e dei terminali per assicurarti che non ci siano danni.
Il Multimetro (tester): Cos’è, come funziona
Conclusioni
La misura di corrente, tensione e resistenza è fondamentale per analizzare il funzionamento di un circuito elettrico e identificare eventuali problemi. Utilizzando strumenti appropriati e seguendo le corrette procedure di misura, si possono ottenere risultati precisi e affidabili.
I principi descritti, dai milliamperometri agli ohmmetri, fino ai multimetri, forniscono una base solida per chi lavora nel campo dell’elettronica e dell’elettrotecnica.
