Esercitazione 1 - Cremona

POLITECNICO DI MILANO
CORSO DI LAUREA INGEGNERIA AEROSPAZIALE
Laboratorio ELETTROTECNICA e ELETTRONICA APPLICATA
STRUMENTAZIONE IN DOTAZIONE AL LABORATORIO
STRUMENTI VIRTUALI LAB VIEW 7 --- LAB VIEW 8
OSCILLOSCOPIO VIRTUALE
LAB VIEW 7 --- LAB VIEW 8
BASETTA SPERIMENTALE MILLE FORI
REALIZZAZIONI CIRCUITALI SU BASETTA SPERIMENTALE
CARATTERISTICHE COSTITUTIVE DELLA BASETTA
CAVI PER I COLLEGAMENTI
ELETTRICI
SCHEDA DI ACQUISIZIONE
DATI
I connettori BNC sono una famiglia di connettori unipolari a baionetta usati per l'intestazione di
cavi coassiali. La sigla del connettore costituisce l'acronimo di Bayonet Neill Concelman, dal nome
dei due inventori Paul Neill e Carl Concelman e dal sistema utilizzato per l'innesto, appunto di tipo
definito a baionetta.
(connettori BNC maschio)
(Tre tipi di connettori a coccodrillo di piccole dimensioni)
L'aggancio fra il connettore maschio e il connettore femmina si effettua rapidamente, ruotando di un
quarto di giro la ghiera del connettore maschio intorno ai due perni, ricavati proprio sulla ghiera del
connettore femmina; l'unione così ottenuta, risulta meccanicamente molto affidabile, anche grazie
all'azione della molla contenuta all'interno del connettore maschio. Gli elementi del contatto
elettrico possono esse placcati in argento o in oro, nel secondo caso si ha la massima garanzia di
affidabilità nel tempo del contatto elettrico. L'elemento isolante, nei migliori modelli è realizzato
in Teflon. Il fissaggio al cavo coassiale può essere effettuato in due modi: il primo prevede solo una
coppia di semplici chiavi e un saldatore a stagno, il secondo prevede l'utilizzo di una speciale pinza
per poter crimpare il cavo sul connettore, questo secondo metodo risulta nel tempo più affidabile.
Il connettore a coccodrillo o pinza a coccodrillo o clip a coccodrillo (in inglese: Crocodile clip o
Alligator clip) è chiamato in questo modo per la notevole somiglianza con la testa di un coccodrillo
o di un alligatore.
Il suo funzionamento è semplice, analogo a quello di una molletta da bucato. Il suo utilizzo è molto
diffuso in elettronica e in elettrotecnica ma anche in altri diversi campi quando si ha bisogno di un
collegamento temporaneo. Sono disponibili cavi con due coccodrilli alle estremità per connessioni
temporanee. In elettronica e in elettrotecnica è molto usato:
• negli strumenti per misurare una grandezza elettrica senza dover tenere le mani impegnate
• come connessione di riferimento per strumenti di misura (oscilloscopi, tester, ecc.)
• si usano cavi con due coccodrilli alle estremità per fare rapidamente dei collegamenti
È spesso parzialmente protetto da un materiale isolante per ridurre la possibilità di cortocircuiti
(vedi il coccodrillo con guaina gialla nelle figura).
In ambiente automobilistico è ben conosciuto per collegare provvisoriamente una batteria scarica a
un'altra batteria carica o a un carica-batterie (in questo caso si usano cavi e connettori con colori
standard: rosso per il positivo e nero per il negativo. Importante: la connessione errata è molto
pericolosa e può provocare l'esplosione della batteria).
+
12 V
12 V
+
−
+
−
GND
V
−
+
+
−
GND
V
Connettore BNC – Banana
−
+12 V
−12 V
USO DELLA BREAD BOARD
La Bread-Board o basetta sperimentale rappresenta un mezzo molto comodo e nello stesso tempo
potente per realizzare assemblaggi di circuiti elettronici senza saldature. La semplicità, la velocità di
impiego e la buona affidabilità ne fanno uno strumento indispensabile in un laboratorio elettronico,
in fase di elaborazione e studio del progetto, per provare il corretto funzionamento dei circuiti
in esame. La Bread-Board è costituita da una basetta (si veda la figura che segue) provvista di una
scanalatura mediana e da una serie di fori disposti secondo righe e colonne e distanziati del passo
standard di 2,54 mm (1/10 di pollice), tipico dei pin dei circuiti integrati. Generalmente essa
contiene 64 x 2 serie di 5 fori.
Breadboard – Top
I fori di una colonna, generalmente 5, sono internamente collegati fra loro mediante una barretta
metallica a molla, ma non con i fori delle colonne adiacente o della colonna simmetrica rispetto alla
scanalatura. E' così possibile inserire i circuiti integrati a cavallo della scanalatura; per ogni pin
rimangono quindi disponibili per i collegamenti con altri componenti, ben quattro fori.
Breadboard - Internal connections
Lungo i due lati maggiori della basetta sono disposte due file di fori. Il collegamento fra i fori di una
fila di solito è interrotto a metà (non nella figura della basetta soprastante), sicché si hanno a disposizione
quattro gruppi di 25 fori per l'alimentazione, la massa o per i segnali. Normalmente una delle file
superiori, unita con un ponticello, costituisce il conduttore di alimentazione, mentre una delle file
inferiori il conduttore di massa. Le dimensioni dei fori sono adatte all'inserimento dei reofori
(terminali) dei componenti più comuni; le molle sottostanti provvedono al fissaggio dei terminali.
I collegamenti fra i fori vanno effettuati con filo rigido di circa 0,5 mm di diametro. Sono adatti i
fili AWG 24 e 26, che presentano diametro di 0,511 e 0,404 rispettivamente.
Con questa tecnica di montaggio è possibile realizzare circuiti semplici,
ma anche complessi ( si veda l'esempio che segue)
purché si rispettino alcune semplici regole:
• i componenti debbono essere disposti secondo uno schema ordinato ed in modo da poter
essere facilmente estratti e sostituiti senza dover disfare il circuito;
• non si deve forzare l'inserimento nei fori dei reofori o di fili troppo grossi; così facendo
le molle finiscono per perdere la loro elasticità ed i contatti divengono incerti;
• non inserire mai nei fori fili con le estremità piegate, raddrizzarle prima con una pinza;
• i fili di collegamento debbono essere tenuti aderenti alla basetta e fatti passare intorno e
non sopra i componenti.
Per il cablaggio dei circuiti sulla BreadBoard è richiesta un'attrezzatura di base molto semplice
formata da un tronchesino, una pinza a becco lungo e un cacciavite (quest'ultimo serve soprattutto
per estrarre i circuiti integrati).
Accanto agli evidenti vantaggi, questa tecnica presenta tuttavia anche alcuni difetti. I fili di
collegamento possono a volte uscire, anche solo parzialmente, dai fori, interrompendo il contatto.
Specialmente con basette vecchie e molto utilizzate, può capitare che le molle creino contatti
incerti; in questo caso diviene arduo rintracciare la causa del mal funzionamento del circuito
in prova.
Inoltre l'assemblaggio che si ottiene con queste basette, a causa delle notevoli capacità ed induttanze
parassite, presenta limiti di funzionamento alle alte frequenze (sopra i MHz).
LABORATORIO di ELETTROTECNICA
MULTIMETRO --- TESTER
Se si osserva una “resistenza”, si vede (da una
estremità o dall'altra) una fascetta di color oro;
questo colore indica che la tolleranza rispetto al
valore nominale è pari al 5%. Se la fascetta è di colore argento
significa che la tolleranza è del 10% (valore meno preciso e
resistenza di minore qualità). Si deve disporre la resistenza in
modo che la fascetta dorata si trovi alla destra (come in figura).
Si cominciano poi a leggere le tre fascette, da sinistra verso
destra. Il colore della prima indica la prima cifra del valore; il
colore della seconda fascetta indica la seconda cifra; il colore
della terza definisce il potere moltiplicatore, cioè quanti zeri si
devono aggiungere alle precedenti due cifre. Nel caso specifico
della resistenza raffigurata come esempio, si hanno i seguenti
colori: rosso, viola, arancio. A tali colori corrispondono i numeri
2, 7 e 3. Il valore è, pertanto, 27 seguito da 3 zeri, cioè: 27000 Ω,
ovvero 27 KΩ
Ω.
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Selettore della misura
collegamento dei puntali per le misure di
tensione e resistenza
collegamento dei puntali per misure di
corrente fino a 10 A.
collegamento dei puntali per misure di
corrente fino a 2 A.
CODICE A COLORI
PER LE RESISTENZE
-
-
Resistori con 4 anelli colorati
COLORE
1° ANELLO
2° ANELLO
Nero
Marrone
Rosso
Arancione
Giallo
Verde
Blu
Viola
Grigio
Bianco
ARGENTO
ORO
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
3° ANELLO
4° ANELLO
--0
00
000
0000
00000
000000
1%
2%
0,50%
0,25%
0,10%
x 0.01
x 0.1
10%
5%
Resistori con 5 anelli colorati
COLORE
1° ANELLO
2° ANELLO
3° ANELLO
Nero
Marrone
Rosso
Arancio
Giallo
Verde
Blu
Viola
Grigio
Bianco
ARGENTO
ORO
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
4° ANELLO
--0
00
000
0000
00000
000000
x 0.01
x 0.1
5° ANELLO
1%
2%
0,50%
0,25%
0,10%
10%
5%
CODICE COLORI PER LE RESISTENZE
Codice a 4 bande di colore
Codice a 5 bande di colore
COLORE!!
NERO
BANDE
1, 2, (3)!!
POTERE
COEFFIC
TOLLERANZA!
MOLTIPLICATORE!
TEMPERAT.!
0
0
200 ppm/°K
MARRONE!!
ROSSO!!
1!!
2!!
1!!
2!!
ARANCIONE!!
3!!
3!!
25 ppm/°K!!
GIALLO!!
VERDE!!
4!!
5!!
4!!
5!!
15 ppm/°K!!
BLU!!
VIOLA!!
GRIGIO!!
BIANCO!!
ORO!!
ARGENTO!!
SENZA COLORE
6!!
7!!
8!!
9!!
6!!
7!!
8!!
9!!
-1!!
-2!!
1%!!
2%!!
0,50%!!
0,25%!!
0,10%!!
100 ppm/°K!!
50 ppm/°K!!
10 ppm/°K!!
5 ppm/°K!!
1 ppm/°K!!
5%!!
10%!!
20%!!
CODICE IEC 62
VALORE DI RESISTENZA!
0,33 OHM!
3,3 OHM!
33 OHM!
330 OHM!
0,33 KOHM !
3,3 KOHM!
SIGLA!
R33!
3R3!
33R!
330R!
K33!
3K3!
VALORE DI RESISTENZA!
33 KOHM!
330 KOHM!
0,33 MOHM!
3,3 MOHM!
33 MOHM!
330 MOHM!
SIGLA!
33K!
330K!
M33!
3M3!
33M!
330M!
Diodi LED
Vi sono dei particolari componenti elettronici in grado di emettere luce se alimentati
con tensione continua; questi componenti si chiamano diodi emettitori di luce, in
inglese Light Emitter Diode, da cui la sigla L.E.D. che sta proprio ad indicare i diodi
che emettono luce.
LED verde
LED rosso
Il diodo “L.E.D.” è un componente
elettrico con due morsetti, fra loro
NON intercambiabili, il cui simbolo
elettrico è di seguito riportato.
Nel simbolo vi è una freccia che indica il
percorso della corrente; nel nostro caso
la corrente va da sinistra a destra; il
morsetto di sinistra è detto Anodo e va
collegato al morsetto positivo del
generatore di tensione; l'altro morsetto è
detto Catodo e va collegato al morsetto
negativo del generatore di tensione; se il
componente è nuovo il filo del catodo è
tagliato più corto del filo dell'anodo.
La tensione di alimentazione deve essere
Simbolo elettrico del diodo LED
continua e di piccolo valore; massimo sui
3 V; occorre stare attenti a non invertire i poli del generatore di tensione in quanto il
diodo LED ha una piccola tensione inversa di rottura (2 ÷ 5 V) e si brucia facilmente.
Particolari costruttivi e tecnici
I diodi LED vengono costruiti con particolari tipi di semiconduttori; i semiconduttori
sono dei materiali che conducono solo se vengono alimentati in una certa direzione e
non conducono se alimentati in direzione opposta; il materiale semiconduttore più
usato per i diodi normali è il silicio; per i diodi LED si usa l'arseniuro di Gallio per
gli infrarossi; l'arseniuro fosfuro di gallio per il rosso; Il fosfuro di gallio per il
giallo e il verde; il carburo di silicio per il blu.
Quando un diodo LED viene alimentato gli elettroni presenti all'interno del diodo
passano da livelli energetici elevati a livelli energetici più bassi, emettendo
delle radiazioni aventi la frequenza della luce. L'emissione della luce, per evitare
che venga assorbita all'interno del diodo, viene opportunamente riflessa da piccoli
specchi, che indirizzano la luce verso l'esterno.
Vi sono diversi tipi di diodi LED, come vediamo nella seguente tabella:
LED!!
Lunghezza Tensione Tensione Massima
di soglia
corrente
d'onda
inversa
[V] con
diretta
λ [nm]
If=20 mA
[V]
Infrarosso!!
898!!
1,1!!
3!!
150!!
Rosso!
665!!
1,6!!
3!!
100!!
Giallo!
575!!
2,4!!
3!!
60!!
materiale!
[mA]
Arseniuro di
gallio
Arseniuro
fosfuro gallio
Fosfuro di
gallio
Simbolo
chimico!
Ga As!
Ga As P!
Ga P!
Verde!
565!!
2,4!!
3!!
60!!
Blu!
475!!
3!!
3!!
50!!
Fosfuro di
gallio
Carburo di
silicio
Ga P!
Si C!
1 nm = 1 nanometro = 1—10-9 metri
Si dice caratteristica diretta di un diodo LED la curva che esprime l'andamento
della corrente del diodo ID in funzione della tensione applicata al diodo stesso VD.
caratteristiche dirette di diodi LED!
!
Se analizziamo le caratteristiche dirette dei vari colori notiamo che in tutte le
caratteristiche esiste una tensione di soglia, cioè una tensione superata la quale la
corrente aumenta di molto e in maniera lineare; mentre per valori inferiori alla
tensione di soglia la corrente è nulla.
Inoltre all'aumentare della corrente aumenta anche la luminosità del diodo LED.
Circuito di polarizzazione
Ogni diodo LED deve avere la giusta tensione e la giusta corrente; polarizzare
un diodo vuol dire fare in modo che ai suoi capi vi sia la giusta tensione e che
in esso circoli la giusta corrente. Ci serve quindi un circuito di polarizzazione.
Un circuito può essere il seguente:
In pratica il resistore R1 serve per evitare la bruciatura del diodo; il resistore fa in
modo che nel diodo LED circoli la giusta corrente e che la tensione applicata sul diodo
sia quella voluta, anche se il generatore di tensione ha una tensione più elevata.
Esercizio
Dimensionare i valori dei componenti il circuito di polarizzazione di un
diodo LED di colore rosso.
Soluzione
Scegliamo dapprima un generatore di tensione adatto; supponiamo di avere un
generatore di tensione continua con tensione E= 5 V.
Si tratta ora di scegliere il valore del resistore R1 da porre in serie al diodo LED.
Scriviamo dapprima l'equazione alla maglia, applicando il secondo principio di Kirchhoff
delle tensioni:
E = V1 + VD
dove E è la tensione del generatore; V1 è la tensione ai capi di R1; VD è la tensione ai
capi del diodo.
Decidiamo ora il livello di corrente in base alla luminosità che vogliamo ottenere;
possiamo dare dei valori o di 20 mA o di 30 mA, fino a 40 mA. Scegliamo 20 mA,
cioè: I1 = ID = 20 mA
Ricaviamo per ID = 20 mA una VD = 1,65 V
essendo tutti i componenti in serie avranno tutti la stessa corrente.
Dalle caratteristiche troviamo la caratteristica del LED rosso; tiriamo una linea
orizzontale in corrispondenza di ID = 20 mA; tale linea incontra la caratteristica in un
punto P, detto punto di lavoro del diodo; tiriamo una retta verticale da questo punto
P; tale retta incontra l'asse delle ascisse nel punto VD = 1,65 V
Quindi otteniamo che la tensione del diodo è: VD = 1,65 V.
Ritorniamo all'equazione:
E = V1 + VD
VD = 1,65 V
Con la formula inversa ci ricaviamo V1: V1= E - VD = 5 - 1,65 = 3,35 V
Ricordando la legge di Ohm per il resistore R1 possiamo scrivere: V1 = R1 I1 da
Ora conosciamo:
E=5V
---
cui:
Scegliamo un valore commerciale che si avvicina: R1 = 170 Ω.
Colori: marrone-viola-marrone
PROVA Esercitazione 1 – 1ª Parte
Obiettivo: Verifica del codice colori. Misura di resistenze e verifica della loro appartenenza al
valore del range di tolleranza specificato dalla relativa banda.
Impostazione dei valori di tensione di alimentazione E sui canali dell’alimentatore.
Misure di tensione e di corrente mediante Multimetro Digitale (Tester da Banco)
Verifica della legge del partitore resistivo di tensione
Verifica della legge del partitore resistivo di corrente
a) Misure di tensione: verifica del partitore resistivo di tensione
VBC
VAB
V
B
C
A
+
−
R3
R1
E1 VBD
R2
VCD
R4
E1 = 10 V
R1 = R2 = R3 = R4 = 1 KΩ
Ω
+
D
(figura – 1)
Impostare l’alimentatore alla tensione E1 = 10 V verificando il valore visualizzato sul display con il
tester dello strumento multifunzione;
Misurare le tensioni VAB, VBC, VBD e VDC
Verificare la proprietà di disparità per le tensioni VCD e VDC; cioè verificare che esse soddisfano
la condizione espressa dalla relazione: VDC = −VCD
VBD =
VCD =
R2 ( R3 + R4 )
R1 + [ R2 ( R3 + R4 )]
·E1
R2 ( R3 + R4 )
R4
R4
·VCD =
·
·E1
R3 + R4
R3 + R4 R1 + [ R2 ( R3 + R4 )]
⇒
VDC = −VCD
b) Misure di corrente: verifica del partitore resistivo di corrente
A
+
B
A
+
−
I3
C
R3
R1
E1
Rsh
R4
R2
I1
I2
D
E1 = 10 V
R1 = R2 = R3 = R4 = 1 KΩ
RSH = 10 Ω
I4
(figura – 2)
Impostare l’alimentatore alla tensione E1 = 20 V verificando il valore visualizzato sul display con il
tester dello strumento multifunzione
Misurare le correnti VAB, VBC, VBD e VDC
Verificare la proprietà di disparità per le correnti I3 e I4; cioè verificare che risulta soddisfatta la
condizione espressa dalla relazione: I4 = −I3
I1 =
E1
R1 + [ R2 ( R3 + R4 )]
I2 =
( R3 + R4 )
( R3 + R4 )
E1
· I1 =
·
( R2 + R3 + R4 )
( R2 + R3 + R4 ) R1 + [ R2 ( R3 + R4 )]
I3 =
R2
R2
E1
·I1 =
·
( R2 + R3 + R4 )
( R2 + R3 + R4 ) R1 + [ R2 ( R3 + R4 )]
Verificare la legge di Kirchhoff delle correnti applicata al nodo B, ovvero che risulta: I1 = I2 + I3
PROVA Esercitazione 1 – 2ª Parte
Obiettivo: Rilievo sperimentale della “caratteristica tensione corrente” di un bipolo lineare e
passivo. Verifica del principio di identità di un bipolo
(figura – 3)
A
RL = 2,2 KΩ
RSh = 10 Ω
+
IB
V
Rsh
Vmin
Vmax
VS
RL
VB
+
Alimentatore
Principio di identità del bipolo
“tra la corrente e la tensione misurate ai capi di un bipolo elettrico (in regime stazionario) esiste
un legame che non dipende da quanto vi è collegato all’esterno ai suoi morsetti, ma che discende
esclusivamente dalla sua natura elettrica”.
VS
N°
[V]
1 -10,0
2
-7,5
3
-5,0
4
-2,5
5
0,0
6
+2,5
7
+5,0
8
+7,5
9 +10,0
VB
[V]
IB
[mA]
R = (VB/IB)
[KΩ
Ω]
IB
B
(figura 4)
VB
+10
VB
α
0,00
IB
0,00
tan α = RL
−10
Svolgimento della prova
1) lanciare gli strumenti virtuali voltmetro e amperometro dell’applicazione LabView;
2) Impostare, sullo strumento virtuale amperometro, il valore di resistenza di shunt a 10Ω e il
valore di fondo scala a 30 mA. Impostare, sullo strumento voltmetro, il valore di fondo scala a
± 10V in relazione ai valori della tensione di alimentazione (VS = ± 10V);
3) Accendere il power supplì e verificare che la tensione sia VS = 0 V
4) Procedere da VS = 0 Ve, agendo sull’alimentatore, fare in modo che l’incremento della tensione
VB avvenga a intervalli regolari (per esempio ∆VB = 2,5 V), rilevando il corrispondente valore
della corrente IB;
5) Ripetere la procedura per tensioni di alimentazione negative, cioè invertendo le connessioni ai
morsetti dell’alimentatore.
6) Le coppie di valori di tensione-corrente vengono annotate in una tabella del tipo indicato nella
figura 4 e riportate su di un grafico che rappresenta la curva caratteristica del bipolo, come
indicato nella già citata figura 4.
PROVA Esercitazione 1 – 3ª Parte
Obiettivo: Rilievo sperimentale della “caratteristica tensione corrente” di un bipolo non lineare e
passivo, realizzato con due diodi LED in connessione antiparallelo.
(figura − 5)
RO = 1 KΩ
RSh = 10 Ω
A
+
Bipolo in
prova A
Rsh
RO
Vmin
Vmax
VS
V
LED
+
VB
Alimentatore
IB
K
Rilievi sperimentali:
N°
VS [V]
VB [V]
IB [mA]
N°
1
14
2
15
3
16
4
17
5
18
6
19
7
20
8
21
9
22
10
23
11
24
12
25
13
26
VS [V]
VB [V]
IB [mA]
Rappresentazione grafica della relazione costitutiva IB = ƒ(VB) rilevata sperimentalmente
IB[mA]
VB
0
[V]
Regolazione della corrente di cortocircuito del Power Supply
Prima di accendere il power supply (Figura 1) rimuovere, se presente, il ponticello che realizza il
collegamento fra il morsetto negativo dell'uscita (47) e il morsetto di GND (51).
Accendere il power supply (50) ed effettuare la regolazione del massimo valore della corrente di
corto circuito, procedendo come di seguito indicato:
1) selezionare, tramite l’apposito tasto (48), la funzione voltmetro dello strumento digitale (42)
accertandosi che sul display, in basso a destra, compaia l'unità di misura "V";
2) ruotare il potenziometro voltage (43) in senso antiorario portando la tensione di alimentazione
al valore di 0V;
3) selezionare per lo strumento digitale (42) la funzione amperometro (48) accertandosi che sul
display, in basso a destra, compaia l'unità di misura "A";
4) ruotare il potenziometro current (44) completamente in senso orario fino alla posizione di
fine corsa;
5) cortocircuitare i cavetti di alimentazione;
6) ruotare il potenziometro voltage in senso orario fino a visualizzare sullo strumento in
modalità amperometrica un valore di corrente pari a 0,50A;
7) ruotare il potenziometro current in senso antiorario fino all’accensione del diodo LED
contrassegnato con la sigla CC (49);
8) selezionare per lo strumento la funzione voltmetro (48) accertandosi che sul display, in basso
a destra, compaia l'unità di misura "V";
9) rimuovere la condizione di c.c. e ruotare il potenziometro voltage (43) in senso antiorario
riportando, se necessario, la tensione di uscita a 0V;
10) spegnere il power supply (50).