Corso di Elettronica per ragazzi – Puntata 5

Nella precedente puntata “Corso di Elettronica per ragazzi - Puntata 4” abbiamo parlato della RESISTENZA ELETTRICA, RESISTIVITA’, CONDUTTANZA, CONDUTTIVITA’ e del RESISTORE. Abbiamo visto alcuni simboli elettrici che vedremo spesso nei circuiti elettronici che descriveremo e realizzeremo in pratica, poi abbiamo introdotto il CIRCUITO ELETTRICO e la LEGGE di OHM. Con questa puntata, inizieremo la parte pratica del corso di elettronica realizzando il primo CIRCUITO ELETTRICO, un semplice circuito composto da un Generatore elettrico e un resistore, di cui misureremo le grandezze elettriche di tensione e corrente durante il funzionamento. Uniremo così la teoria dei circuiti alla pratica con un’esercitazione di laboratorio attraverso la quale impareremo a fare misure di corrente, di tensione e di resistenza con il multimetro digitale.

Introduzione - Il multimetro digitale

Prima di iniziare le esercitazioni di laboratorio è molto importante sapere che cos’è un multimetro digitale, di quali funzioni di misura dispone e come si usa. Gli strumenti di misura sono necessari per controllare lo stato dei dispositivi elettronici. In particolare, i multimetri digitali sono consigliati quando è necessario misurare con precisione i parametri elettrici di un dispositivo elettronico. Ma cosa sono i multimetri digitali? Come si differenziano dai tester analogici? I multimetri digitali sono strumenti di misura in grado di misurare grandezze elettriche come la tensione, corrente, resistenza di un resistore, capacità di un condensatore, ma anche la temperatura ed altro. I valori misurati vengono visualizzati su un display digitale, consentendone una lettura semplice e diretta, anche da chi è alle prime armi. Alcuni multimetri digitali selezionano automaticamente il range di misura eliminando la necessità di sceglierlo manualmente. Di conseguenza, questi strumenti sono relativamente facili da usare. La Figura 1 mostra un modello di un comune multimetro digitale.

Figura 1: Un multimetro digitale (https://giuppiter.com)

Naturalmente, i tester analogici, che non hanno un display ma una scala graduata la cui lettura viene indicata dalla posizione di un ago mobile, offrono anche dei vantaggi rispetto ai multimetri digitali; ad esempio, in termini di facilità con cui è possibile interpretare le variazioni del valore misurato durante la misurazione, e la facilità intuitiva con cui è possibile visualizzare un ago in situazioni in cui una lettura digitale potrebbe essere difficile da vedere. Poiché sia i multimetri digitali che i tester analogici presentano vantaggi, si può scegliere lo strumento più adatto all’applicazione di cui si desidera effettuare misure. In Figura 2 viene mostrato un tester analogico, il Supertester modello ICE 680 G.

Figura 2: Tester analogico Supertester ICE 680 G (https://www.zetabishop.it)

I multimetri digitali sono spesso descritti come strumenti dotati di un'elevata precisione, ma la precisione dei risultati di misurazione stessi non differisce in modo significativo dai tester analogici. Tuttavia, l’alta precisione si riferisce alla capacità degli strumenti di impostare una risoluzione più elevata perché i loro display digitali possono visualizzare più cifre. Poiché i tester analogici indicano i valori con un ago, esiste la possibilità che la persona che utilizza lo strumento commetta un errore di lettura del valore, ad esempio per un errore di parallasse. I multimetri digitali hanno il vantaggio di essere meno suscettibili agli errori di lettura poiché utilizzano un display digitale. Molti ritengono che il display digitale di facile lettura sia preferibile alla lettura sulla scala graduata del tester analogico poiché può verificarsi un errore umano indipendentemente dall’attenzione prestata.

Tipologie di multimetri digitali

I multimetri digitali possono essere classificati in palmari, come quello mostrato in Figura 1, da banco e per numero di cifre visualizzabili sul display che possono essere a 3 cifre e fino a 7 cifre e 1/2. I modelli palmari, o portatili, sono caratterizzati da un design compatto in modo che possano essere tenuti in mano durante l'uso. Dal momento che sono facili da trasportare, possono essere utilizzati in una varietà di applicazioni, dai laboratori al campo. Solo perché sono compatti non significa che manchino di funzionalità. Sono disponibili modelli di fascia alta, quindi si può scegliere lo strumento adatto alla particolare applicazione. I modelli palmari sono disponibili in una varietà di forme, comprese le varietà compatte a forma di scheda e a forma di penna. Al contrario, i multimetri digitali da banco sono progettati per essere posizionati su un piano, appunto come un banco, durante l'uso. In Figura 3 un esempio di multimetro digitale da banco.

Figura 3: Un multimetro digitale da banco (https://it.farnell.com/)

I multimetri digitali da banco sono spesso integrati in banchi di lavoro con altri strumenti di misura, sistemi e linee di produzione e molti hanno un gran numero di cifre del display. C'è una tendenza verso un alto valore aggiunto sotto forma di funzionalità fornite dallo strumento, da solo o in combinazione con un computer, inclusi il trasferimento dei dati, calcolo della media e calcoli avanzati. Quando si seleziona un multimetro digitale è utile chiedersi se il modello scelto deve essere portatile o se le funzionalità richieste sono disponibili solo nei modelli da banco.

Il multimetro digitale del nostro corso di elettronica

Per le attività di laboratorio del nostro corso di elettronica scegliamo di utilizzare un multimetro digitale palmare del tipo illustrato in Figura 4, molto pratico, con molte funzioni e di basso costo che, se non l’avete, potete acquistare anche online.

Figura 4: Il multimetro digitale del corso

Nella stessa immagine di Figura 4, possiamo vedere indicate le principali funzioni del multimetro che andremo ad utilizzare per misurare le grandezze elettriche dei circuiti che realizzeremo. Per misurare, il multimetro ha in dotazione i puntali rosso e nero, illustrati in Figura 5.

Figura 5: Puntali del multimetro (https://www.amazon.it)

Il puntale nero si inserisce sempre nella boccola nera “COM”, il puntale rosso si inserisce nella boccola “VΩHZ%Live” quando dobbiamo fare misure di tensione, resistenza ed altre misure che vedremo durante il corso. Nella boccola rossa “µA mA” per misure di corrente dai µA ai mA. Infine, nella boccola rossa “20A” per misure di correnti elevate fino al valore massimo di 20 Ampere. Semplicemente ruotando la manopola posta al centro dello strumento si seleziona il tipo di misura con il relativo fondo scala corrispondente al massimo valore misurabile. Ad esempio, volendo misurare il valore di resistenza del resistore da 1000 ohm che utilizzeremo nell’esercitazione di laboratorio, dalla posizione “OFF” iniziale (strumento spento) si ruota a sinistra la manopola nel settore indicato da “Misura in ohm” scegliendo il fondo scala in cui rientri il valore di 1000 ohm, ovvero 6K (corrispondente al valore massimo misurabile di resistenza di 6000 ohm). Se scegliessimo il fondo scala 600, andando a misurare il resistore collegando ai suoi terminali i puntali dello strumento, il display indicherebbe un errore poiché il valore massimo misurabile del fondo scala 600 corrisponde al valore massimo misurabile di 600 ohm. Quanto detto riguardo alla selezione del fondo scala vale per tutte le altre misurazioni.

Realizziamo il nostro primo circuito elettronico

Il circuito che andremo a realizzare e a misurare è molto semplice in quanto è costituito da un generatore elettrico (in pratica una comune batteria da 9 Volt) e un resistore, ad esempio da 1000 ohm o 1 Kohm (ricordiamoci che le migliaia di ohm possiamo indicarle con la lettera K che si legge chiloohm; i milioni di ohm si indicano con la lettera M che si legge Megaohm; i miliardi di ohm si possono indicare anche con la lettera G che si legge Gigaohm). Per collegare questi due componenti ci serviremo di una piastra sperimentale (in gergo tecnico inglese si chiama “breadboard”) e di alcuni ponticelli (anche questi noti in inglese come “jumper”) che fungono da conduttori elettrici di collegamento dei terminali dei componenti. Questo tipo di montaggio dei componenti è molto comodo perché non richiede l’uso di un saldatore e stagno, quindi un circuito può essere realizzato facilmente. Per questo semplice circuito, ma anche per altri circuiti che faremo, è quindi sufficiente dotarsi di una piccola breadboard a 400 punti di contatto e di alcuni jumper, come mostrati in Figura 6, che potete acquistare anche online con pochi euro.

Figura 6: Breadboard e jumper (https://www.amazon.it)

Quindi, ricapitolando, per costruire il nostro circuito occorrono i seguenti componenti:

• Batteria da 9 V
• Clip di collegamento della batteria (*)
• Resistore da 1 Kohm
• Breadboard 400 punti
• Jumper Maschio-Maschio
• Un morsetto a coccodrillo nero e uno rosso

(*) Per collegare la batteria da 9 V alla piastra occorrerà una clip come quella mostrata in Figura 7, anche questa facilmente acquistabile online.

Figura 7: Clip per batteria da 9 V (https://www.amazon.it)

Lo schema elettrico del circuito

Per realizzare il circuito abbiamo bisogno di sapere come devono essere collegati i componenti fra loro. Per questo, dobbiamo fare lo schema elettrico, ovvero uno schema che mostri i collegamenti elettrici dei componenti. Abbiamo detto che il circuito è molto semplice, si tratta di collegare i morsetti di una batteria ai terminali di un resistore mediante dei conduttori che ipotizziamo abbiano una resistenza nulla. Lo schema elettrico di Figura 8 mostra il circuito con i componenti rappresentati dai rispettivi simboli elettrici che abbiamo conosciuto nella precedente puntata 4, ossia BAT1 è la batteria da 9 V e R1 è il resistore di resistenza da 1 Kohm.

Figura 8: Schema elettrico del circuito

Come vedete, lo schema elettrico di Figura 8 ci indica i collegamenti da fare per realizzare il circuito: il morsetto positivo (+) della batteria è collegato tramite un conduttore ad uno dei terminali del resistore, mentre il morsetto negativo (-) della batteria è collegato con un altro conduttore all’altro terminale del resistore, realizzando così un circuito chiuso. Potete quindi comprendere come non sia difficile interpretare uno schema elettrico utilizzando i simboli elettrici dei componenti. Notate che i simboli elettrici nello schema elettrico sono numerati. Ciò è importante per riconoscere i componenti quando sono tanti in uno schema di montaggio.

Realizzazione pratica del circuito

Ora che abbiamo compreso come interpretare lo schema elettrico, possiamo passare alla realizzazione pratica eseguendo il montaggio del circuito. Prima di tutto, dobbiamo chiarire come è fatta la breadboard e come utilizzare i suoi punti di contatto, per questo riportiamo la piastra in Figura 9.

Figura 9: Layout della breadboard (https://www.amazon.it)

Osservando la piastra in Figura 9, all’estremo superiore e inferiore della breadboard ci sono due linee orizzontali di contatti, una linea rossa con il simbolo + e una linea blu con il simbolo -. I contatti di ognuna di queste quattro linee, due rosse e due blu, sono collegati insieme come un unico conduttore. Si tenga presente che i contatti delle due linee rosse + non sono collegati insieme, così come quelli delle due linee blu -. I contatti delle linee verticali indicate dai numeri sono anch’essi collegati insieme come un unico conduttore. Ad esempio, i contatti della linea 21 corrispondenti alle linee indicate dalle lettere a, b, c, d, e, sono collegati insieme, come un unico conduttore, ma non sono collegati ai contatti corrispondenti alle linee f, g, h, i, in quanto questi sono separati fisicamente da un’interruzione al centro della piastra. Quindi, solo i contatti della linea 21 dell’altra sezione della piastra sono collegati alle linee f, g, h, i. Disponiamo su un banco di lavoro la breadboard, la batteria, il resistore ed i jumper (Figura 10).

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