fondamenti di elettrotecnica

5/6/2018 fondamenti di elettrotecnica - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/fondamenti-di-elettrotecnica 1/68

LEZIONI DI ELETTROTECNICA ED ELETTRONICA2NDA EDIZIONE

Prof. Sarlo Enrico



INDICE DEGLI ARGOMENTI

1. LA CARICA ELETTRICA ...........................................................................................................42. IL POTENZIALE ELETTRICO....................................................................................................5

3. LA DIFFERENZA DI POTENZIALE: TENSIONE ELETTRICA..............................................7

4. LA CORRENTE ELETTRICA....................................................................................................10

5. IL CIRCUITO ELETTRICO........................................................................................................12

6. IL CARICO ELETTRICO E LA RESISTENZA.........................................................................13

7. CODICE DEI COLORI DELLE RESISTENZE A STRATO.....................................................16

8. RESISTENZE COLLEGATE IN SERIE.....................................................................................17

9. RESISTENZE COLLEGATE IN PARALLELO........................................................................18

10. LE LEGGI DI OHM.....................................................................................................................20

11. LA POTENZA ELETTRICA.......................................................................................................24

12. EFFETTO JOULE........................................................................................................................25

13. IL LAVORO E IL CONSUMO ELETTRICO.............................................................................27

14. Componenti di uso comune in elettronica ed elettrotecnica

......................................................................................................................................................30

15. IL DIODO....................................................................................................................................30

16. Diodi a ponte................................................................................................................................30

17. Il diodo led....................................................................................................................................30

18. Come si calcola la resistenza in serie al led.................................................................................31

19. IL CONDENSATORE.................................................................................................................31

20. .....................................................................................................................................................3121. Condensatori elettrolitici..............................................................................................................32

22. Altri tipi di condensatori...............................................................................................................32

23. Condensatori in parallello............................................................................................................32

24. Il relè.............................................................................................................................................33

25.

LA TENSIONE ALTERNATA...................................................................................................34

26. IL SISTEMA TRIFASE...............................................................................................................38

27. ALTA TENSIONE.......................................................................................................................39

28. PERICOLOSITA' DELLA CORRENTE ELETTRICA..............................................................40

29. ANOMALIE ELETTRICHE.......................................................................................................40

30. COMPONENTI DI UN IMPIANTO ........................................................................................4131. APPARECCHI DI COMANDO..................................................................................................43

32. RELE' BISTABILI.......................................................................................................................43

33. CONTATTORE...........................................................................................................................43

34. INTERRUTTORI.........................................................................................................................43

35. INTERRUTTORE MAGNETOTERMICO .................................................................................44

36. INTERRUTTORE DIFFERENZIALE ........................................................................................ 44

37. FUSIBILI ......................................................................................................................................45

38. IMPIANTO DI TERRA ............................................................................................................... 45

39. IL TESTER...................................................................................................................................46

40. IL DISPLAY................................................................................................................................46

41. IL SELETTORE...........................................................................................................................4642. INSERIMENTO DEI PUNTALI.................................................................................................47

43. MISURARE UNA TENSIONE...................................................................................................47

2



44. MISURARE UNA CORRENTE..................................................................................................48

45. IL MAGNETISMO .....................................................................................................................48

46. L’ ELETTRO-MAGNETISMO E LA LEGGE DI FARADAY-NEUMANN-LENZ................50

47. TRASFORMATORE...................................................................................................................50

48. COME COSTRUIRE UN ALIMENTATORE............................................................................52

49. MOTORI E GENERATORI ELETTROMAGNETICI...............................................................5550. MOTORE IN CORRENTE CONTINUA....................................................................................55

51. DINAMO......................................................................................................................................57

52. Motore sincrono...........................................................................................................................59

53. Motore asincrono..........................................................................................................................59

54. L’ALTERNATORE.....................................................................................................................62

55. Elevamento a potenza...................................................................................................................66

56. i prefissi nelle unità di misura......................................................................................................67

3



LA CARICA ELETTRICA

Tutta la materia che ci circonda, e di cui anche noi siamo composti, è composta da

ATOMI. L’atomo è quindi la più piccola particella di materiale osservabile.Ad esempio paragoniamo l’atomo a una piccola goccia d’acqua: il mare e’ quindi

composto da un numero grandissimo di gocce d’acqua, così come ad esempio un filo di

rame è composto da una moltitudine di atomi dello stesso materiale. L’atomo presenta al

suo centro una carica elettrica positiva FISSA, chiamata PROTONE, e attorno ad essa

ruota una carica elettrica negativa MOBILE, chiamata ELETTRONE. Nel nucleo esistono

anche altre particelle fisse, con carica NULLA, chiamate NEUTRONI.

Sappiamo che normalmente le

cariche simili tendono ad

allontanarsi, cioè due particelle con

carica positiva si respingono. Nel

nucleo dell’atomo tuttavia i protoni

sono tenuti uniti e compatti da una

forza molto grande, che impedisce

loro di separarsi.

Gli elettroni che girano attorno al nucleo sono attratti dai protoni e assomigliano a piccoli

sassi legati con una cordicella: ruotano in orbite a forma di ellisse senza però potersi

allontanare dal nucleo. La materia e quindi ogni atomo, pur avendo elettroni ed elettroni,

risulta essere a carica NULLA. Il motivo sta nel fatto che il numero di protoni nel nucleo è

uguale al numero di elettroni nell’orbita. 5 cariche positive e 5 cariche negative si

annullano a vicenda.

Ogni atomo e’ legato ad altri atomi da una forza molto meno potente, che ci permette

appunto di poter separare la materia, ad esempio possiamo spezzare una trave di legno,

limare un pezzo di ferro, piegare un foglio di carta. La materia in natura si può presentare

sotto diverse forme: solida, liquida o gassosa. Questa forza che lega gli atomi è presente

allo stato solido, è lieve allo stato liquido ed è quasi nulla allo stato gassoso.

Ricordando che gli elettroni (negativi) sono le uniche particelle in grado di spostarsi,

rimbalzando da un atomo all’altro, provate a strofinare la punta di una bacchetta di plastica

su di un panno e provate ad avvicinarla a dei piccoli pezzettini di carta. Vedrete che essa è

in grado di attrarli. Questo fatto si giustifica dicendo che la bacchetta di plastica si è

caricata di elettricità negativa, cioè ha acquistato una carica elettrica negativa durante lo

4



strofinio con il panno poiché alcuni elettroni, che sono cariche mobili, sono passati dal

panno alla punta della bacchetta. Quando noi avviciniamo la bacchetta alla carta, si

verifica che gli elettroni presenti sulla carta tendono ad allontanarsi dalla punta della

bacchetta, lasciando i protoni, che sono la carica fissa. Cariche positive e cariche negative

tendono ad avvicinarsi ed è così che il pezzettino di carta viene attirato dalla bacchetta di

plastica. Quindi l'esperienza ci dice che esistono delle cariche elettriche.

La carica elettrica può essere di segno positivo, che indichiamo con simbolo + o di segno

negativo che indichiamo con il simbolo - .

La proprietà di un elettrone di passare da un atomo all’altro non è valida per ogni tipo di

materiale, ecco perché li possiamo dividere in conduttori e in isolanti. Materiali conduttori

sono quelli che consentono il passaggio della carica elettrica cioè che consentono agli

elettroni di spostarsi. Sono conduttori l'argento, il rame, l'oro, l'alluminio, il ferro, i metalli in

generale e l'acqua. Si dicono isolanti i materiali che non consentono il passaggio della

carica elettrica; sono isolanti il marmo, il legno, la gomma, le materie plastiche in generale,

il vetro e la carta.

DOMANDE(RISPONDI SUL RETRO DELLA PAGINA, COPIANDO IL NUMERO E IL TESTO DELLA DOMANDA)

1. COS’E’ L’ATOMO?

2. DA CHE PARTICELLE E’ FORMATO?

3. COME MAI LA MATERIA E’ ELETTRICAMENTE NEUTRA?

4. PERCHE’ UN MATERIALE SI PUO’ ROMPERE?

5. COME MAI IL FERRO E’ UN MATERIALE CONDUTTORE?

IL POTENZIALE ELETTRICO

Quando un elettrone, cioè una carica mobile, si sposta, l’atomo che prima era neutro

diventa positivo, viceversa se un atomo all’inizio neutro acquista un elettrone diventa

negativo. Se un oggetto possiede un certo numero di atomi incompleti, cioè con

abbondanza o carenza di elettroni, l’oggetto ha una carica elettrica cioè un POTENZIALE

ELETTRICO.

5



Nell’esempio precedente, la bacchetta è strofinatada un panno. Il panno ha rilasciato elettroni sul

materiale “vetro” lasciando atomi del panno con

carenza di elettroni. Quindi la bacchetta si è

caricata negativamente, cioè ha acquisito un

potenziale. Il panno ora ha un potenziale identico a

quello della bacchetta, però di segno opposto, cioè

positivo. Ovviamente il numero totale di cariche del

panno e della bacchetta non e’ cambiato. Le cariche si sono semplicemente distribuite in

maniera diversa. Un paragone può essere di aiuto: prendiamo 2 bottiglie d’acqua, da un

litro, entrambe piene a metà (mezzo litro). Ogni goccia consideriamola come un elettrone.

Se svuotiamo la prima bottiglia riempiendo la seconda avremo una situazione diversa: la

prima bottiglia vuota e la seconda con un litro d’acqua. Ora la prima bottiglia sarà

“povera”di acqua rispetto all’inizio (1/2 litro). La seconda bottiglia invece sarà piena e

quindi più ricca di acqua rispetto all’inizio. In totale però, la quantità d’acqua delle due

bottiglie non è cambiata: sempre un litro. Quindi in conclusione possiamo dire che:

(DEFINIZIONE:) IL POTENZIALE ELETTRICO E’ LA CARICA ELETTRICA TOTALE

CHE UN CORPO POSSIEDE, SIA POSITIVO CHE NEGATIVO

Abbiamo detto all’inizio che la materia, se ha un numero uguale di elettroni e protoni risulta

nulla. In questo caso si dice che la materia ha un potenziale elettrico pari a zero.

Maggiore è il numero di elettroni che si spostano, più grande sarà il potenziale elettrico

della materia. Il potenziale elettrico, ripetiamo, può essere sia positivo che negativo, quindi

e’ obbligatorio indicarlo col segno + o il segno -. Ogni materiale conduttore, se messo in

contatto con un oggetto dotato di potenziale diverso da zero, assume anch’esso un

potenziale diverso da zero.

6




6. QUANDO UN ATOMO DIVENTA POSITIVO?7. QUANDO UN ATOMO DIVENTA NEGATIVO?

8. QUAND’ E’ CHE UN OGGETTO HA UN POTENZIALE ELETTRICO?

9. QUAL’E’ LA DEFINIZIONE DI POTENZIALE ELETTRICO?

10. NORMALMENTE LA MATERIA NEUTRA CHE POTENZIALE HA?

LA DIFFERENZA DI POTENZIALE: TENSIONE ELETTRICA

La tensione, cioè la differenza di potenziale elettrico, è come dice il nome la differenza di

cariche elettriche che esiste tra due corpi. Quindi per parlare di tensione elettrica

dobbiamo confrontare due oggetti: non posso dire che la bacchetta di plastica ha una

tensione (la bacchetta al massimo ha un potenziale), ma se confronto la bacchetta col

panno, allora posso dire che tra il panno e la bacchetta c’e’ una tensione elettrica. Per

spiegare il significato di tensione, riprendiamo l’esempio delle due bottiglie d’acqua:

All’inizio entrambe le bottiglie sono mezze piene, cioè hanno entrambe un “potenziale”.

Tra le due bottiglie che differenza di acqua c’e’? Zero! Hanno la stessa quantità d’acqua.

Ma se svuoto la prima bottiglia nella seconda cosa succede? La prima bottiglia non ha

potenziale, è vuota. La seconda bottiglia ha un potenziale di un litro di acqua. E tra le due

che differenza di potenziale c’e’? un litro.

7



Parlando di atomi, al posto dell'acqua abbiamo le cariche elettriche. Il potenziale elettrico è

la quantità di carica e la differenza di potenziale è il confronto tra due oggetti con numero

diverso di cariche. Questa differenza di potenziale (d.d.p.) prende il nome di tensione.

(DEFINIZIONE:) LA TENSIONE O D.D.P. E’ LA DIFFERENZA DI POTENZIALE TRA

DUE OGGETTI

E si calcola:

(FORMULA:) D.D.P. = Potenziale maggiore – Potenziale minore = V (+) – V(-)

La tensione si misura in volt, che si abbrevia con la lettera v minuscola e la tensione

si indica con la lettera V maiuscola. Facciamo ora un esempio reale: l’oggetto A ha un

potenziale positivo di +10, l’oggetto B ha un potenziale positivo di +30. il potenziale

maggiore spetta all’oggetto B, quello minore all’oggetto A.

OGGETTO A:

OGGETTO B:

Che differenza di potenziale ho tra i due oggetti? V = +20v, vuol dire che esiste una

tensione V, che ha il valore di 20 volt. Cioè che il potenziale dell’oggetto A meno il

potenziale dell’oggetto B è uguale a +20 volt.

Per indicare che tra due oggetti esiste una differenza di potenziale, si usa una freccia

curva che parte dal potenziale più basso e finisce al potenziale più alto come in figura.

Un componente in grado di far separare le cariche elettriche si dice generatore di

tensione, come una pila o una batteria d'auto. Esso è in grado di separare le cariche

elettriche, facendo in modo che tutte le cariche elettriche positive si trovino da un lato del

generatore, e che tutte le cariche elettriche negative si trovino dal lato opposto. Il simbolo

del generatore di tensione e com’e’ fatta una pila da 1,5v? Eccoli in figura:

8



Si dice morsetto o polo del generatore una delle due parti terminali di un generatore di

tensione. Quindi il generatore ha due morsetti. Nel generatore di tensione continua vi è un

morsetto positivo, chiamato CATODO che indichiamo col segno +, dove sono concentrate

solo cariche positive. Vi è inoltre un morsetto negativo, l’ANODO che indichiamo col segno-, dove sono concentrate tutte le cariche negative.

In generale ogni oggetto che ha un potenziale, viene riferito a MASSA o a TERRA,

cioè si fa la differenza tra il potenziale dell’oggetto e il potenziale del terreno, che è

SEMPRE a potenziale nullo. Quindi se per esempio un oggetto ha un potenziale di

+12, allora la tensione tra l’oggetto e la terra è uguale a +12v.

Il simbolo di MASSA o TERRA o MESSA A TERRA e’:

ESERCIZIO

• CALCOLARE LA TENSIONE CHE ESISTE TRA DUE CORPI: IL CORPO A HA UN

POTENZIALE DI +15, IL CORPO B HA UN POTENZIALE DI +5

PER CALCOLARE LA DIFFERENZA DI POTENZIALE, BISOGNA APPLICARE LA FORMULA: V=POTMAGGIORE - POT MINORE. ORA, L’OGGETTO A HA IL POTENZIALE MAGGIORE (+15) E

L’OGGETTO B QUELLO MINORE (+5).

APPLICANDO LA FORMULA RISULTA: V= (+15) - (+5) = +15 – 5 = + 10 V

QUINDI TRA A E B ESISTE UNA TENSIONE DI + 15 VOLT.

9



ESERCIZIO

• CALCOLARE LA TENSIONE CHE ESISTE TRA DUE CORPI: IL CORPO A HA UN

POTENZIALE DI +30, IL CORPO B HA UN POTENZIALE DI -5

PER CALCOLARE LA DIFFERENZA DI POTENZIALE, BISOGNA APPLICARE LA FORMULA:V=POT MAGGIORE - POT MINORE. ORA, L’OGGETTO A HA IL POTENZIALE MAGGIORE (+30) E

L’OGGETTO B QUELLO MINORE (-5).

APPLICANDO LA FORMULA RISULTA: V= (+30) - (-5) = +30 + 5 = + 35 V

QUINDI TRA A E B ESISTE UNA TENSIONE DI + 35 VOLT.

ESERCIZIO

• CALCOLARE LA TENSIONE CHE ESISTE TRA IL CORPO A E LA TERRA SAPENDO CHE IL

CORPO A HA UN POTENZIALE DI +12

PER CALCOLARE LA DIFFERENZA DI POTENZIALE, BISOGNA APPLICARE LA FORMULA:

V=POT MAGGIORE - POT MINORE. ORA, L’OGGETTO A HA IL POTENZIALE MAGGIORE (+12) E LA

TERRA QUELLO MINORE (0).

APPLICANDO LA FORMULA RISULTA: V= (+12) - (0) = +12 - 0 = + 12 V

QUINDI TRA A E LA TERRA ESISTE UNA TENSIONE DI + 12 VOLT.


11. QUANTI OGGETTI PARAGONO SE PARLO DI TENSIONE ELETTRICA?

12. QUAL’ E’ LA DEFINIZIONE DI TENSIONE ELETTRICA?

13. COME SI INDICA E COME SI MISURA LA TENSIONE ELETTRICA?

14. CALCOLA LA TENSIONE ELETTRICA TRA UN OGGETTO CON POTENZIALE = +20 E UN

OGGETTO CON POTENZIALE = -5

15. CALCOLA LA TENSIONE ELETTRICA TRA UN OGGETTO CON POTENZIALE = -15 E UN

OGGETTO CON POTENZIALE = +15

16. CALCOLA LA TENSIONE ELETTRICA TRA UN OGGETTO CON POTENZIALE = +20 E LA

TERRA.

17. COS’E’ UN GENERATORE ELETTRICO? COME SI DISEGNA?

18. COS’E’ IL CATODO? COS’E’ L’ANODO? RIDISEGNA UNA BATTERIA

LA CORRENTE ELETTRICA

Per spiegare cos’e’ la corrente elettrica, riprendiamo l’esempio delle due bottiglie d’acqua.

10



Supponiamo di collegare le due bottiglie con un tubo, e osserviamo cosa succede.

Se tra le due bottiglie esiste una differenza di acqua, nel tubicino vedremo scorrerne fino a

che in entrambe le bottiglie non avremo lo stesso livello di liquido.

La corrente elettrica non è nient’altro che il passaggio di elettroni da un oggetto ad un

altro, se tra questi esiste una differenza di potenziale. Affinché gli elettroni passino, è

fondamentale che:

• Tra i due oggetti ci deve essere una tensione elettrica, cioè una differenza di

potenziale, cioè i potenziali dei due oggetti devono essere diversi.

• Devo collegare i due oggetti tramite un collegamento elettrico: il collegamento deveessere fatto con un materiale conduttore.

Osserviamo la figura sopra: l’oggetto blu ha un potenziale di +30, l’oggetto azzurro ha un

potenziale di +10, tra i due esiste quindi una tensione, cioè una differenza di potenziale

uguale a: Pot. Magg. – Pot. Min. = +30 – (+10) = +20v. Ora, se collego i due oggetti con

un filo di materiale CONDUTTORE, gli elettroni passano dall’oggetto a potenziale alto

all’oggetto a potenziale basso. Quanti ne passeranno? Sino a che entrambi gli oggettiavranno lo stesso potenziale, cioè +20. Si dice quindi che:

11



(DEFINIZIONE:) LA CORRENTE ELETTRICA E’ IL MOVIMENTO DI CARICHE

ELETTRICHE (ELETTRONI) DA UN POLO A TENSIONE ALTA VERSO UN POLO A

TENSIONE PIÙ BASSA.

La corrente si misura in Ampere ( si legge: amper, senza la e finale), e si abbrevia con la

lettera A.

Usiamo la lettera I per indicare la corrente. Esempio volendo dire che vi è una corrente di

10 Ampere scriviamo: I = 10 A, che vuol dire che vi è la corrente I che ha il valore di 10

ampere. Per indicare che tra due oggetti collegati elettricamente sta scorrendo una

corrente elettrica, si usa una freccia con la punta rivolta nel verso di scorrimento che è dal

potenziale più alto al potenziale più basso come in figura.

Inoltre è fondamentale sapere che:

SE LA DIFFERENZA DI POTENZIALE E’ UGUALE A ZERO, NON HO CORRENTE


19. COS’E’ LACORRENTE ELETTRICA?

20. COS’E’ FONDAMENTALE PER FAR PASSARE CORRENTE ELETTRICA?

21. QUAL’E’LA DEFINIZIONE DI CORRENTE ELETTRICA?

22. COME INDICO CHE SU UN FILO C’E’ UN PASSAGGIO DI CORRENTE PARI A 15

AMPERE?

23. QUANDO NON HO PIU’ PASSAGGIODI CORRENTE ELETTRICA?

IL CIRCUITO ELETTRICO

Come detto nel paragrafo precedente, non basta la sola tensione (differenza di potenziale)per avere circolazione di corrente, ma occorre un collegamento tra i due punti a differente

potenziale per creare un circuito elettrico chiuso.

12



In figura è mostrato, a sinistra, un generatore di tensione che crea una differenza di

potenziale tra i poli A e B (il potenziale del polo A e più alto di quello del polo B). La

mancanza di un collegamento elettrico (ad esempio un filo), impedisce il passaggio di

corrente (I=0). A destra, invece, la presenza del collegamento, permette il passaggio della

corrente I dal polo positivo a quello negativo.

NOTA BENE: Una civetta, posata su un cavo elettrico sospeso,non subisce conseguenze (non è attraversata da corrente),poiché tocca il solo potenziale A del cavo, senza toccarecontemporaneamente un altro punto a differente potenziale.Se noi tocchiamo, invece, lo stesso cavo elettrico, chiudiamo, conil percorso mano-piedi, un circuito tra il cavo (potenziale A) e laterra (potenziale B=0) e siamo attraversati da una correnteelettrica con conseguenze più o meno gravi.

(DEFINIZIONE:) SI DICE CIRCUITO ELETTRICO CHIUSO QUANDO DUE POLI A

DIFFERENTE POTENZIALE VENGONO COLLEGATI ELETTRICAMENTE,

PERMETTENDO PASSAGGIO DI CORRENTE.

IL CARICO ELETTRICO E LA RESISTENZA

Dai paragrafi precedenti sappiamo che ho un circuito chiuso quando un “oggetto”

conduttore, in grado di far passare corrente, viene collegato tra due poli a differente

potenziale.

Come notiamo in figura, un oggetto conduttore (una lampadina), se collegata ad una

batteria d’automobile a 12 volt, si illumina, facendo passare una corrente elettrica che

parte dal polo A a potenziale alto, percorre la lampadina e ritorna al polo B a potenziale

basso. In genere qualunque oggetto che funziona grazie a una tensione viene detto

CARICO.

13



(DEFINIZIONE:) SI DICE CARICO ELETTRICO UN QUALUNQUE OGGETTO CHE, SE

COLLEGATO AD UNA DIFFERENZA DI POTENZIALE, ASSORBE CORRENTE

ELETTRICA.

Un carico elettrico può essere un motore, una lampadina, un elettrodomestico. Per

esempio un cellulare e’ il carico elettrico della batteria che ha al suo interno, oppure un

altoparlante e’ il carico elettrico dell’amplificatore all’interno del vostro Hi-Fi, così come le

cuffie auricolari sono il carico elettrico del vostro lettore MP3.

Quindi in generale tra i poli di un generatore scorre corrente se e solo se vi è applicato un

carico.

La quantità di corrente che scorre è determinata dalla “resistenza” che il carico offre nel

farsi attraversare.

Facciamo un esempio per capire come la resistenza di un carico può far scorrere nel

circuito più o meno corrente. Prendiamo due serbatoi d’acqua: a pieno e B vuoto, e li

colleghiamo con un tubo affinché l’acqua possa andare da A a B. Sul tubo piazziamo un

rubinetto in modo da poterlo aprire e chiudere e cambiare quindi la quantità di acqua che

passa. In pratica il rubinetto e’ la resistenza al passaggio dell’acqua. Ora Il serbatoio A e’ il

polo a potenziale maggiore e B e’ il polo a potenziale minore di un generatore di tensione,

il tubo e’ il filo che chiude il circuito e il rubinetto supponiamo che sia la lampadina della

figura di una pagina fa, l’acqua che scorre e’ la corrente che passa nel circuito.

14



Nell’ultimo caso vediamo come, se i due poli del generatore sono allo stesso potenziale,

non c’e’ differenza di potenziale (non c’e’ tensione) e quindi non può scorrere alcuna

corrente. Una lampadina potente ha una resistenza bassa, fa scorrere più corrente e fa più

luce, una lampadina fioca ha una resistenza alta, fa scorrere poca corrente e fa una

piccola luce. Una lampadina bruciata ha una resistenza altissima: non scorre corrente.

Quindi riepilogando:

(DEFINIZIONE:) SI DICE RESISTENZA ELETTRICA DI UN CARICO L'OSTACOLO CHE

ESSO OPPONE AL PASSAGGIO DELLA CORRENTE ELETTRICA.

Unità di misura della resistenza è l'ohm, che si abbrevia col simbolo Ώ

Ad esempio, R = 1.000 Ώ vuol dire che esiste una resistenza elettrica R che ha il valore di

1.000 ohm.Ogni materiale ha la sua resistenza. Un buon conduttore oppone poca resistenza al

passaggio della corrente, invece un isolante ha un’elevata resistenza.

15



In elettronica ed elettrotecnica si usano tantissimi tipi di resistenze, ma la loro funzione

rimane sempre quella di determinare un ostacolo al passaggio degli elettroni, e quindi di

ottenere nel circuito la giusta corrente. Più avanti scopriremo come calcolare la corrente

sapendo la resistenza del carico.

In elettronica e in elettrotecnica si usano “resistenze calcolate”,

cioè piccoli elementi a forma di cilindro con 2 poli e delle bande

colorate.

In un circuito elettrico, la resistenza viene disegnata con questo simbolo:

In un semplice circuito con un generatore e una resistenza, il disegno

che andremo a fare sarà così:

CODICE DEI COLORI DELLE RESISTENZE A STRATO

Colore Valore MoltiplicatoreTolleranza

(%)Esempio 1

(Marrone =1),(Nero=0),(Arancio=3)10 x 103 = 10k

ohmTolleranza (Oro)

= ±5%

Esempio 2(Giallo =4),(Violetto=7),

(Nero=0), (Rosso=2)470 x 102 = 47k

ohmTolleranza

(Marrone) = ±1%

Nero 0 0 -

Marrone 1 1 ±1

Rosso 2 2 ±2

Arancio 3 3 ±0.05

Giallo 4 4 -

Verde 5 5 ±0.5

Blu 6 6 ±0.25

Violetto 7 7 ±0.1

Grigio 8 8 -

Bianco 9 9 -

Oro - -1 ±5

Argento - -2 ±10

niente - - ±20

16




24. COS’E’ UN CARICO ELETTRICO?25. COS’E’ UNA RESISTENZA ELETTRICA?

26. COME SI MISURA, SI INDICA E SI DISEGNA UNA RESISTENZA ELETTRICA?

27. UNA RESISTENZA ALTISSIMA QUANTA CORRENTE FA PASSARE?

28. DISEGNA UN CIRCUITO CON UN GENERATORE DA 25 VOLT E UNA RESISTENZA DA 560

OHM, CON TUTTE LE FRECCE CHE INDICANO TENSIONI E CORRENTI E USANDO TUTTI I

SIMBOLI DI TENSIONE, RESISTENZA E CORRENTE

RESISTENZE COLLEGATE IN SERIE

Se colleghiamo più resistenze in modo che al terminale di uscita di ognuna sia collegato il

solo terminale di ingresso di un'altra, otteniamo un collegamento IN SERIE.

Una conseguenza di questo tipo di collegamento è che tutte le resistenze in serie sono

attraversate dalla stessa corrente.

L'effetto globale è uguale a quello di un' unica resistenza, chiamata resistenza

equivalente, avente come valore la somma delle singole resistenze.

(FORMULA:) REQUIVALENTE = R1+R2+R3+....

(DEFINIZIONE:) I COMPONENTI ELETTRICI COLLEGATI IN SERIE SONO

ATTRAVERSATI DALLA STESSA CORRENTE. LA RESISTENZA EQUIVALENTE E’

PIU’ GRANDE DEL VALORE DELLA RESISTENZA PIU’ GRANDE

Quindi in un circuito, se ho più resistenze in serie, le posso sostituire con una sola

resistenza, di un valore pari alla somma delle singole resistenze.

17



NOTA BENE: Le luci di Natale, da appendere all’alberosono di solito tutte in serie. Sono quindi attraversate dallastessa corrente, ma nel caso in cui se ne bruci una, ilcircuito risulta aperto e la corrente smette di circolare,spegnendo tutte le luci ancora funzionanti.

RESISTENZE COLLEGATE IN PARALLELO

Componenti elettrici con tutti i poli di ingresso connessi tra loro, come i poli di uscita, si

dicono collegati IN PARALLELO.Nell'esempio in figura le resistenze R1, R2 e R3 sono collegati in parallelo:

L'effetto globale è uguale a quello di un'unica resistenza, chiamata resistenza equivalente,

avente come inverso del valore la somma degli inversi delle singole resistenze:

(FORMULA:)

(DEFINIZIONE:) I COMPONENTI ELETTRICI COLLEGATI IN SERIE SONOSOTTOPOSTI ALLA STESSA DIFFERENZA DI POTENZIALE. LA RESISTENZA

EQUIVALENTE E’ PIU’ PICCOLA DEL VALORE DELLA RESISTENZA PIU’ PICCOLA

NOTA BENE: Tutti gli elettrodomestici che abbiamo in casa(televisore, frigorifero, lavatrice, lampade, caldaia, ecc.) sonocollegati in parallelo e, quindi, sono alimentati dalla stessa tensionedi 230 volt. La corrente risulterà essere la somma di ogni correnteassorbita da ogni elettrodomestico.

18



ESERCIZIO

• CALCOLARE LA RESISTENZA EQUIVALENTE A 3 RESISTENZE IN SERIE: R1=1Ω , R2=10Ω

ED R3=50 Ω.

PER CALCOLARE LA RESISTENZA EQUIVALENTE IN SERIE, BISOGNA APPLICARE LA FORMULA:REQUIVALENTE = R1+R2+R3

APPLICANDO LA FORMULA RISULTA: REQ= 1 + 10 + 50 = 61 Ω

QUINDI 3 RESISTENZE IN SERIE EQUIVALGONO A UNA SOLA RESISTENZA EQUIVALENTE, DI

VALORE PARI A 61 OHM.

ESERCIZIO

• CALCOLARE LA RESISTENZA EQUIVALENTE A 3 RESISTENZE IN PARALLELO: R1=10Ω ,

R2=20Ω ED R3=50 Ω.

PER CALCOLARE LA RESISTENZA EQUIVALENTE IN SERIE, BISOGNA APPLICARE LA FORMULA:

APPLICANDO LA FORMULA RISULTA: REQ= 1 / (1/10+1/20+1/50) = 1 / (0,1+0,05+0,02)= 1/0,17=5,88 Ω

QUINDI 3 RESISTENZE IN PARALLELO EQUIVALGONO A UNA SOLA RESISTENZA EQUIVALENTE,

DI VALORE PARI A 5,88 OHM.


29. DISEGNA 4 RESISTENZE COLLEGATE IN SERIE

30. DISEGNA 4 RESISTENZE COLLEGATE IN PARALLELO

31. QUAL E’ LA DEFINIZIONE DI RESISTENZE COLLEGATE IN SERIE? QUANTO VALE LA

RESISTENZA EQUIVALENTE?

32. QUAL E’ LA DEFINIZIONE DI RESISTENZE COLLEGATE IN PARALLELOSERIE? QUANTO

VALE LA RESISTENZA EQUIVALENTE?

33. DISEGNA E CALCOLA LA RESISTENZA EQUIVALENTE DI 3 RESISTENZE IN SERIE DI

VALORI: R1=57 Ω, R2= 23 Ω ED R3= 1500 Ω.

34. DISEGNA E CALCOLA LA RESISTENZA EQUIVALENTE DI 3 RESISTENZE IN PARALLELLO

DI VALORI: R1=2 Ω, R2= 10 Ω ED R3= 100 Ω.

19



LE LEGGI DI OHM

Osserviamo un semplice circuito chiuso formato da un generatore di tensione e un carico.

Sappiamo che se un carico viene collegato a una differenza di potenziale, scorre una

corrente che dipende dalla resistenza che lo stesso carico oppone al passaggio. La

corrente circola dal polo più alto al polo più basso.

In generale, in un circuito elettrico dobbiamo conoscere almeno tre misure: la tensione V,

la corrente I e la resistenza R.

Esiste una relazione matematica molto semplice che permette, conoscendo due tra le tre

variabili V-tensione, I-corrente e R-resistenza, di ricavare la terza. Si tratta della:

PRIMA LEGGE DI OHM

(FORMULA:) V = R x I

che ci permette di calcolare la tensione V che equivale alla resistenza R moltiplicata per la

corrente I.

In questo caso, per calcolare la tensione abbiamo bisogno sia del valore della corrente

che del valore della resistenza.La legge di Ohm esiste in altre due forme:

(FORMULA:) SECONDA LEGGE DI OHM I = V / R

TERZA LEGGE DI OHM R = V / I

La seconda legge di Ohm I = V / R ci permette di calcolare la corrente I che equivale alla

tensione V divisa per la resistenza R.In questo caso, per calcolare la corrente abbiamo bisogno sia del valore della tensione

che del valore della resistenza.

20



La terza legge di Ohm R = V / I ci permette invece di calcolare la resistenza R che

equivale alla tensione V divisa per la corrente I.

In questo caso, per calcolare la resistenza abbiamo bisogno sia del valore della tensione

che del valore della corrente.

ESERCIZIO

• CALCOLARE LA TENSIONE CHE OCCORRE PER FAR CIRCOLARE 2 AMPERE DI

CORRENTE IN UNA RESISTENZA DA 3 OHM.

PER CALCOLARE LA TENSIONE BISOGNA APPLICARE LA FORMULA:V = I x R

APPLICANDO LA FORMULA RISULTA: V = 2 X 3 = 6 v

QUINDI OCCORRONO 6 VOLT PER FAR CIRCOLARE 2 AMPERE DI CORRENTE IN UNA

RESISTENZA DA 3 OHM.

ESERCIZIO

• CALCOLARE LA CORRENTE CHE CIRCOLA IN UNA RESISTENZA DA 10 OHM COLLEGATA

AD UNA DIFFERENZA DI POTENZIALE DI 30 VOLT.

PER CALCOLARE LA CORRENTE BISOGNA APPLICARE LA FORMULA:

I = V / R

APPLICANDO LA FORMULA RISULTA: I = 30 / 3 = 10 A

QUINDI IN UNA RESISTENZA DA 10 OHM COLLEGATA AD UNA DIFFERENZA DI POTENZIALE DI 30

VOLT SCORRONO 10 AMPERE.

ESERCIZIO

•CALCOLARE LA RESISTENZA CHE OCCORRE PER FAR CIRCOLARE 0,5 AMPERE DICORRENTE IN UN CIRCUITO ALLA TENSIONE DI 220 VOLT.

PER CALCOLARE LA RESISTENZA BISOGNA APPLICARE LA FORMULA:

R = V / I

APPLICANDO LA FORMULA RISULTA: R= 220 / 0,5 = 110 Ω

QUINDI PER FAR CIRCOLARE 0,5 AMPERE DI CORRENTE IN UN CIRCUITO ALLA TENSIONE DI

220 VOLT OCCORRE UNA RESISTENZA DA 110 OHM.

21




RIDISEGNARE INOLTRE IL CIRCUITO GENERATORE –CARICO INDICANDO I SIMBOLI E I VALORI

DI TENSIONE RESISTENZA E CORRENTE.

35. IN GENERALE IN UN CIRCUITO CHIUSO, QUANTE E QUALI MISURE DOBBIAMO

SAPERE?

36. COSA DICE LA PRIMA LEGGE DI OHM? COSA PERMETTE DI CALCOLARE?

37. COSA DICE LA SECONDA LEGGE DI OHM? COSA PERMETTE DI CALCOLARE?

38. COSA DICE LA TERZA LEGGE DI OHM? COSA PERMETTE DI CALCOLARE?

39. DISEGNA IL CIRCUITO E CALCOLA LA TENSIONE CHE OCCORRE PER FAR CIRCOLARE

4 AMPERE DI CORRENTE IN UNA RESISTENZA DA 2 OHM..40. DISEGNA IL CIRCUITO E CALCOLA LA CORRENTE CHE CIRCOLA IN UNA RESISTENZA

DA 100 OHM COLLEGATA AD UNA DIFFERENZA DI POTENZIALE DI 200 VOLT.

41. DISEGNA IL CIRCUITO E CALCOLA LA RESISTENZA CHE OCCORRE PER FAR

CIRCOLARE 0,1 AMPERE DI CORRENTE IN UN CIRCUITO ALLA TENSIONE DI 12 VOLT.

RESISTENZE E CADUTE DI TENSIONE

Quando una corrente elettrica I scorre attraverso una resistenza R, tra l'ingresso e l'uscita

del carico si crea una diminuzione di tensione ovvero una caduta di tensione che

indicheremo come ΔV (delta vu).

Il calcolo di questa diminuzione,cioè della tensione misurata ai capi della resistenza, si

esegue tramite la legge di Ohm:

(FORMULA:) CADUTA DI TENSIONE = ΔV = R x I

Un esempio può aiutare a capire: una lampadina è alimentata da un circuito avente

resistenza R=5 ohm e attraversato da una corrente I=2 ampere. Sulla resistenza R si ha

una caduta di tensione ΔV pari a 5x2=10 volt e i 230 volt iniziali scendono, sull'utilizzatore,

a 220 volt.

22



Consideriamo ora il seguente esercizio: una pila da 4,5 volt alimenta quattro resistenze

collegate in serie.

Le resistenze, indicate come R1, R2, R3, R4, hanno i seguenti valori:

R1 = 4 Ω;

R2 = 3 Ω;

R3 = 2 Ω;

R4 = 1 Ω.

La tensione della pila, nel mantenere in circuito la corrente I, deve vincere una dopo l'altra

tutte e quattro le resistenze che incontra. Le resistenze sono in serie, e quindi posso

sostituirle con una resistenza equivalente:

Req = R1+R2+R3+R4=4+3+2+1= 10 Ω

Quanta corrente circola? Ricordiamo la seconda legge di Ohm che dice:

I = V / R = 4,5 / 10 = 0,45 A

Diremo quindi che nel nostro circuito circola una corrente di 0,45 ampere. E la tensione

della pila che fine fa? Essa si ripartisce sulle varie resistenze, in modo proporzionale ai

loro valori: in altre parole, ai capi di una resistenza di valore più alto troveremo una

tensione di valore più alto. Cercando di spiegare con parole semplici quello che succede

nel circuito, diremo quanto segue: la corrente che circola è una sola, ed è la stessa che

attraversa uno dopo l'altro tutti i componenti del circuito (ricorda: i componenti in serie

sono attraversati tutti dalla stessa corrente); non potrebbe essere altrimenti, perché non

esistono altre strade alternative. Questa corrente circola a spese di una tensione, che

23



deve esercitare uno sforzo ogni volta che la corrente incontra una resistenza. Più grande è

la resistenza, maggiore è lo sforzo richiesto per far passare la corrente attraverso quella

resistenza: questo sforzo rappresenta la caduta di tensione relativa a quella resistenza.

Ma calcoliamo ora la caduta di tensione per ogni resistenza.

Per la R1 di 4 Ω vale:

CADUTA DI TENSIONE = ΔV = R x I = 4 x 0,45 = 1,8v








42.COSA SUCCEDE QUANDO UNA CORRENTE ELETTRICA I SCORRE ATTRAVERSO UNA RESISTENZA R?43.COME SI CALCOLA LA CADUTA DI TENSIONE SU UNA RESISTENZA R?

44.DISEGNARE UN CIRCUITO CON UN GENERATORE DI 12 VOLT, 4 RESISTENZE IN SERIE DI VALORI

R1=5Ω R2=4Ω R3=2Ω R4=1Ω. CALCOLARE LA CORRENTE I DEL CIRCUITO E CALCOLARE LA

CADUTA DI TENSIONE SU OGNI RESISTENZA.

LA POTENZA ELETTRICA

24



Come mai le pile di dimensioni piccole si esauriscono prima di quelle più grandi? E come

mai certi tipi di lampade sono molto più luminose di altre?

Esaminiamo le pile stilo (piccole) e le pile torce (grandi). Sono tutte dei generatori di

tensione, e forniscono tutte 1,5v tra i poli. Esaminiamo ora le lampadine: dal neon, allalampada ad incandescenza, sino al potente proiettore. Sono tutti oggetti che funzionano a

una differenza di potenziale di 220v. Quindi la differenza di potenziale è la stessa nei due

casi, ma la pila più grande e il faro più luminoso sono più potenti. Ma cosa determina

questa “potenza”? la pila grande riesce a dare più corrente di quella piccola, mentre il faro

più grande assorbe più corrente (ed emette più luce) rispetto ad un piccolo neon. Questo

concetto viene espresso sotto forma di POTENZA ELETTRICA.

(DEFINIZIONE:) SI DICE POTENZA ELETTRICA IL LAVORO ELETTRICO, EROGATO

DA UN GENERATORE O ASSORBITO DA UN CARICO, IN UN SECONDO DI TEMPO.

La potenza si esprime in WATT, si indica con la lettera P, ed è il prodotto tra tensione e

corrente:

(FORMULA:) P = V x I

La potenza si misura in Watt, con il simbolo W.

Ad esempio se una batteria ha una potenza di 50 watt, scriverò che P=50W.

EFFETTO JOULE

Quando una corrente I attraversa una resistenza R si ha il riscaldamento di quest' ultima.

E' l'effetto Joule.

Il fenomeno è indispensabile, ad esempio, nel filamento di una lampadina aincandescenza, nelle stufe elettriche, nei ferri da stiro e nelle saldatrici ad elettrodo. E',

invece, inutile e dannoso quando non si ha la necessità di produrre calore elettricamente,

25



per esempio nei motori elettrici. Nei componenti elettrici, se la corrente supera il limite

previsto, l'effetto Joule crea surriscaldamento e deterioramento dell'isolante, sino

all’innesco di scintille e fiamme.

ESERCIZIO

• Calcolare la potenza elettrica di una lampadina che, funzionando a +220 volt,

assorbe una corrente di 0,5 ampere.

Per calcolare la potenza elettrica assorbita in un secondo da un carico elettrico,

bisogna applicare la formula: P=VxI.

Ora, il carico elettrico funziona a una tensione V (differenza di potenziale) di +220v e per

funzionare assorbe una corrente elettrica I di 0,5A. Quindi : P = VxI = 220 x 0,5 = 110W.

Quindi la lampadina ha una potenza elettrica pari a 60 WATT.

26

NOTA BENE: Spesso le potenze sono molto elevate, migliaia se non milioni di WATT. Quindi spesso, invece

di usare il simbolo W (watt), si usa il simbolo kKW (chilowatt), dove:

1 kKW = 1000 W

Ad esempio, per dire che un motore elettrico assorbe 3000 watt, è meglio dire che assorbe 3 chilowatt.

Quindi la potenza è P = 3 kKW

Attenzione: se ho un valore di tensione in volt e un valore di corrente in milliampere non posso fare subito la

moltiplicazione VxI per trovare la potenza W, ma devo trasformare o i volt in millivolt o i milliampere in

ampere, ad esempio:

millivolt (mV) x milliampere (mA) = milliWatt (mW)volt (V) x ampere (A) = watt (W)

kilovolt (kV) x kiloampere (kA) = kiloWatt (kW)



ESERCIZIO

• Calcolare la potenza elettrica di una batteria da automobile che puo’ dare una

tensione di 12 volt e una corrente elettrica di 5 ampere.

Per calcolare la potenza elettrica erogata da un generatore di tensione, bisogna

applicare la formula: P=VxI.

Ora, il generatore ha ai suoi poli una tensione V (differenza di potenziale) di+12v e

riesce a dare una corrente elettrica I di 5A. Quindi : P = VxI = 12 x 5 = 60W.

Quindi la batteria ha una potenza elettrica pari a 60 WATT.


45. COSA DISTINGUE UNA BATTERIA PIU’ POTENTE RISPETTO AD UN’ALTRA ?

46. QUAL’E’ LA DEFINIZIONE DI POTENZA ELETTRICA?

47. COME SI CALCOLA LA POTENZA ELETTRICA?

48. COS’E’ L’EFFETTO JOULE?

49. CALCOLA LA POTENZA DI UN GENERATORE DA +30 VOLT IN GRADO DI DARE 20

AMPERE DI CORRENTE.50. CALCOLA LA POTENZA ASSORBITA DA UN FORNO A MICROONDE CHE FUNZIONA A 220

VOLT ED ASSORBE 2 AMPERE DI CORRENTE.

IL LAVORO E IL CONSUMO ELETTRICO

Sappiamo ora calcolare la potenza di un qualsiasi carico sottoposto a tensione elettrica.

Ricordiamo che la potenza non e’ altro che la capacità di fare un lavoro, mentre ilconsumo elettrico è esattamente quanta energia elettrica il carico ha consumato durante il

suo periodo di utilizzo. Facciamo un esempio automobilistico: una macchina sportiva

spenta in garage, ha un motore da 200 cavalli. Questa è la potenza della macchina, che

non cambia. Ma quando effettivamente consuma? Quando percorro del tempo guidandola.

In questo caso il motore da 200 cv che funziona per un certo periodo consuma un certo

quantitativo di benzina. Una macchina con un motore meno potente guidata per lo stesso

periodo di tempo ovviamente consumerà di meno. Lo stesso concetto vale per il concettodi potenza e consumo nel campo elettrico.

27



Il wattora (simbolo Wh) è un'unità di misura dell'energia o del lavoro elettrico. Il wattora

deriva dalla moltiplicazione della potenza (watt) con l'unità di misura del tempo (ora).

Esattamente si definisce:

(DEFINIZIONE:) IL WATTORA È L’ENERGIA FORNITA DALLA POTENZA DI 1 WATT

PER UN PERIODO DI 1 ORA.

(FORMULA:) CONSUMO = POTENZA PER ORE = P x h

Di fatto vengono usati solo i multipli dell'unità, in particolare il kilowattora (kW), che

equivale a mille wattora. Nonostante quanto possa sembrare, il wattora misura una

quantità di energia (non in "movimento"), mentre il watt misura una potenza, che equivale

ad una certa unità di energia per un certo intervallo di tempo. Si può quindi dire che una

lampadina ha una potenza di 100 W e che in due ore la lampadina consuma 200 Wh.

L'elettricità che consumiamo infatti viene pagata in euro/wattora, attualmente si pagano

0,18 € per ogni kWh consumato.

ESERCIZIO

• Calcolare il consumo elettrico di un forno a microonde che funziona ad una

tensione di 220 volt, una corrente elettrica di 5 ampere e che rimane acceso per

2 ore. Calcolare inoltre il costo in bolletta.

Per calcolare la potenza elettrica del microonde, bisogna applicare la formula: P=VxI.

Ora, il forno funziona ad una tensione V (differenza di potenziale) di 220 v e assorbe

una corrente elettrica I di 5A. Quindi : P = VxI = 220 x 5 = 1100 W.

Quindi il forno ha una potenza elettrica pari a 1100 WATT.

Se il forno funziona per 2 ore, il suo consumo e’ pari alla sua potenza moltiplicata per il

numero di ore: CONSUMO=POTENZA x ORE= P x h = 1100 x 2 = 2200 Wh

Ora calcoliamo quanti kilowattora sono. Basta dividere per 1000.

Wattora / 1000 = kiloWattora e quindi 2200 / 1000 = 2,2 kWh

Il forno in 2 ore ha consumato 2,2 kiloWattora. Se ogni kWh costa 0,18 euro, basta

moltiplicare il prezzo per i chiloWattora consumati: 2,2 x 0,18 = 0,40 € circa.

Usare il forno 2 ore ci è costato 40 centesimi in bolletta.

28




51. CHE DIFFERENZA C’E’ TRA LA POTENZA E IL CONSUMO ELETTRICO ?52. QUAL’E’ LA DEFINIZIONE DI CONSUMO ELETTRICO?

53. COME SI MISURA IL CONSUMO ELETTRICO?

54. UN KILOWATTORA A QUANTI WATTORA CORRISPONDE?

55. CALCOLA IL COSTO IN EURO DI UN GENERATORE DA +30 VOLT IN GRADO DI DARE

20 AMPERE DI CORRENTEE CHE FUNZIONA PER 24 ORE.

56. CALCOLA IL COSTO IN EURO AL MESE DI UN COMPUTER CHE FUNZIONA A 220

VOLT ED ASSORBE 2 AMPERE DI CORRENTE ACCESO 4 ORE AL GIORNO.

29



COMPONENTI DI USO COMUNE IN ELETTRONICA EDELETTROTECNICA

IL DIODO

Il diodo è un componente elettronico attivo a due terminali la cuifunzione ideale è quella di permettere il flusso di corrente elettrica inuna direzione e di bloccarla nell'altra. Il simbolo circuitale del diodoesprime chiaramente questa funzione: il triangolo indica la direzioneche permette il flusso di corrente elettrica considerato

convenzionalmente positivo (dal polo negativo a quello positivo), mentre la sbarra neindica il blocco. Vedremo come il diodo sia fondamentale in molti dispositivi di uso

comune.

DIODI A PONTE

Si tratta di un componente che integra al suo internoquattro diodi rettificatori collegati a ponte. Sono utilizzatiprevalentemente nei circuiti di alimentazione. Nell'acquistodi un diodo a ponte (o ponte di diodi) occorre precisare dueparametri: la tensione, espressa in Volt e la corrente,espressa in Ampere. Sono utilizzati, come vedremo, neiraddrizzatori, da tensione alternata a tensione continua.

IL DIODO LED

Il termine "LED" è una sigla che sta per "Light Emitting Diode", ovvero"diodo che emette luce". I led sono costituiti da materiali in grado diemettere radiazioni luminose quando siano attraversati da una correnteelettrica; il valore di tale corrente è compreso fra 10 e 30 mA. I led hanno unterminale positivo ed uno negativo, e per funzionare devono essere inseritiin circuito rispettando tale polarità; in genere il terminale positivo è quellopiù lungo, ma lo si può individuare con certezza osservando l'interno del ledin controluce: come si vede in figura, l'elettrodo positivo è sottile, a forma dilancia, mentre il negativo ha l'aspetto di una bandierina.Quando si utilizza un led, è necessario disporre sempre una resistenza inserie ad esso, allo scopo di limitare la corrente che passa ed evitare chepossa distruggersi; la caduta di tensione ai capi di un led può variare da 1,1

a 1,6 V, in funzione della luce emessa. I led più comuni emettono luce rossa, arancio,gialla o verde. In tempi relativamente recenti si è riusciti a produrre un led caratterizzatodall'emissione di luce blu chiara.

30



COME SI CALCOLA LA RESISTENZA IN SERIE AL LED

Abbiamo già detto che in serie al led occorre inserire una resistenza per limitare ilpassaggio di corrente; il valore di tale resistenza può essere calcolato con la legge di

Ohm:- indichiamo con Vs la tensione di alimentazionecui vogliamo collegare il nostro led- indichiamo con Vl la caduta di tensionepresente ai capi del led (per esempio di 1,4 V)

- indichiamo con I il valore della corrente chevogliamo far passare nel led. Per calcolare ilvalore della resistenza basterà fare la differenza

fra Vs e Vl e dividere il risultato per I (il cuivalore può variare, come detto, da 20 a 40 mA)Esempio: vogliamo far funzionare un led con una tensione di 12 V, limitando la corrente a20 mA (e cioè a 0,02 A). R = (12 - 1,4) : 0,02 = 530 ohm (poiché tale valore non esiste incommercio, useremo il valore standard più vicino, ad esempio 470 oppure 560 ohm)

IL CONDENSATORE

Il condensatore è un dispositivo in grado di immagazzinare energia elettrica. La capacità di

contenere energia elettrica di un condensatore si misura in farad; questa unità di misurarisulta però troppo grande per gli usi dell'elettronica ed allora si usano dei sottomultipli,molto più piccoli, che sono il microfarad (si scrive µF), ed il picofarad (si scrive pF). Icondensatori sono fra i componenti più utilizzati nei circuiti elettronici. In funzione dellatecnologia costruttiva e degli impieghi specifici, i condensatori si presentano nelle formepiù diverse, dai grossi contenitori cilindrici degli elettrolitici da 10.000 e più µF alleminuscole pastiglie dei condensatori ceramici o alla forma a goccia di quelli al tantalio.Possiamo vederlo praticamente con un semplice esperimento, per cui basta procurarsiuna pila da 4,5 V, un condensatore elettrolitico da circa 1000 µF ed un led cuiaggiungeremo in serie una resistenza da 100 ohm.

31



Colleghiamo il condensatore alla pila, facendo attenzione alla polarità (il segno "+" delcondensatore deve corrispondere al segno "+" della pila); dopo pochi secondi ilcondensatore si sarà caricatostacchiamo adesso il condensatore carico dalla pila e colleghiamolo al led, facendoattenzione alla giusta polarità dei terminali ed interponendo la resistenza da 100 Ω: per

qualche istante il led si illuminerà, come se lo avessimo collegato alla pila, spegnendosigradualmente man mano che il condensatore si scarica.La resistenza serve per far scorrere la corrente più lentamente durante la scarica,altrimenti il led farebbe solo un rapido lampo di luce, rischiando anche di bruciarsi.Usando condensatori di maggiore capacità, il led rimarrà acceso più a lungo.

CONDENSATORI ELETTROLITICI

Gli elettrolitici sono condensatori di grande capacità, in grado di accumulare notevoliquantità di energia e sono i più comuni. Il valore della capacità e della tensione di lavorosono in genere stampati chiaramente sull'involucro; i condensatori elettrolitici sono

"polarizzati", il che vuol dire che devono necessariamente esserecollegati ad una tensione continua, rispettando le polarità, positiva enegativa, indicate sull'involucro. Una banda laterale indica di solitol’elettrodo negativo.Collegando il condensatore al contrario, esso si distrugge rapidamente erischia di esplodere. Anche l'applicazione di una tensione superiore aquella di lavoro può causare l'esplosione del condensatore.

ALTRI TIPI DI CONDENSATORI

Tranne i condensatori elettrolitici, tutti gli altri condensatori non sono polarizzati, per cuipossono essere montati indifferentemente in circuito in un versoo nell'altro, e funzionare anche in assenza di una tensionecontinua di polarizzazione. I più comuni sono i condensatoriradiali in poliestere e i condensatori ceramici disco. Le capacitàdi questi condensatori è più piccola di quella dei condensatorielettrolitici.

CONDENSATORI IN PARALLELLO

Se occorre una capacità più alta di quellache ci può offrire un solo condensatore, èpossibile usare più condensatori collegatiuno di fianco all'altro, e cioè in parallelo; inquesto modo la capacità totale equivalealla somma delle singole capacità.Come si vede in figura 7, affiancando duecondensatori da 1µF si ottiene uncapacità complessiva di 2µF;aggiungendone un altro da 0,47µF, lacapacità totale arriva a 2,47µF.

32



IL RELÈ

Il relè è un dispositivo che utilizza le variazioni della correnteper influenzare le condizioni di un altro circuito. Se ne

possono trovare elettronici, elettromagnetici, a induzione, asemiconduttore e termici. Il relè elettromagnetico è il piùdiffuso ed è costituito da un elettromagnete, che eccitatocon l'elettricità, facendo passare un flusso di corrente in unabobina di filo (1), attrae una struttura di ferro (2), aprendo echiudendo un contatto(3). In sostanza il relè è un interruttoreche non viene azionato a mano ma da un elettromagnete.Un relè può azionare un circuito sia se è a riposo, nonattraversato da corrente (in quel caso tale circuito vacollegato ai terminali centrale e di sinistra del relè nella foto),sia se è attivo, attraversato da corrente (in questo caso ilcircuito va collegato ai terminali centrale e di destra).

Il nome relè deriva dal francese relais che indicava ognunadelle stazioni di posta dove i messi postali, durante il loroitinerario, potevano cambiare i cavalli in modo da svolgere

più celermente il loro servizio. Per analogia, ai primordi della telegrafia si usò il terminerelè nell'indicare i dispositivi grazie ai quali si trasferiva un messaggio in codice Morse dauna stazione di partenza a una stazione di arrivo, come se un virtuale messo postale siservisse di tali dispositivi per arrivare finalmente alla meta.

33



LA TENSIONE ALTERNATA

34



35



Ben diversa è la tensione che usiamo in casa prelevandola dalle

prese, e che è detta tensione di rete. Tanto per farci un'idea del suo

comportamento, possiamo supporre che per un breve tempo la

corrente esca da un foro della presa e rientri in quell'altro; subito dopo

immaginiamo che la stessa corrente cominci ad uscire dal foro in cui

prima rientrava, per rientrare in quello da cui prima usciva.

Supponiamo poi che, dopo un altro breve intervallo di tempo, la

situazione si inverta ancora, e così via all'infinito. Nel caso specifico

delle reti elettriche in Italia, la corrente cambia effettivamente direzione (o, meglio,

"polarità") 50 volte al secondo; ciò vuol dire che nel breve intervallo di un cinquantesimo di

secondo, la corrente scorre in un verso

per la prima metà (e quindi per un

centesimo di secondo) e nel verso

opposto per l'altra metà (l'altro centesimo

di secondo). Ma non basta: oltre a

cambiare direzione, la corrente fluisce

con un valore che non è costante, ma

varia da zero ad un massimo e poi di

nuovo a zero. Una corrente con tali

caratteristiche viene definita "corrente

alternata", ed è quella che più usiamo

nella vita di tutti i giorni, senza renderci

conto di come essa sia "inquieta".

Per chi ama i grafici ed ha un po’ di confidenza con essi, la corrente alternata si può

rappresentare come nella figura che segue. Proviamo ad analizzare il grafico; in

orizzontale è rappresentato il tempo, con valori che vanno da 0 a 20 millisecondi, mentre

sull'asse verticale, a sinistra, si trovano i valori di tensione. Vediamo che, a partire dal

tempo 0, il valore della tensione cresce e, a 5 millisecondi dall'inizio, raggiunge un valore

massimo di 310 volt. La tensione comincia poi a scendere, ed arriva a zero quando sono

passati 10 millisecondi dall'inizio.

Si vede poi che la tensione scende al di sotto del valore 0, per raggiungere nel punto più

basso un valore di -310 volt. Cosa significa il meno davanti al numero? Niente di

particolare; una tensione di -310 volt è esattamente uguale ad una di 310 volt: l'unicadifferenza è che la corrente scorre in senso contrario. La tensione riprende poi a salire e, a

36



20 millisecondi dall'inizio, torna a zero. Da questo momento ricomincia un altro ciclo,

esattamente uguale a quello appena visto. Come abbiamo detto, questi cicli completi si

ripetono 50 volte in un secondo, e con la stessa successione di valori: per tale motivo, si

dice che la corrente alternata ha una frequenza di 50 hertz, ed è una grandezza periodica.

Perché una tensione come quella che abbiamo appena descritto viene detta "a 220 V"?

Per il semplice motivo che ciò che interessa di una

tensione alternata non è il suo valore massimo (VALORE

DI PICCO), ma la sua capacità di sviluppare energia; si è

così convenuto di indicarne quello che viene definito

"VALORE EFFICACE", ovvero il valore che dovrebbe

avere una tensione continua per produrre lo stesso effetto

termico. La tensione efficace si trova moltiplicando la

tensione di picco per 0,707.

(FORMULA:) VEFFICACE = 0,707 x VPICCO

La porzione che si ripete uguale nel tempo prende il nome di periodo. La frequenza f,

misurata in hertz (Hz), indica quante volte il periodo si ripete in un secondo.

Per quanto riguarda i simboli, una tensione continua si indica col simbolo --

(V-- TENSIONE CONTINUA), mentre una tensione alternata si indica col simbolo ~

(V~ TENSIONE ALTERNATA). In conclusione definiamo le seguenti definizioni:

(DEFINIZIONE:) = TENSIONE ALTERNATA: TENSIONE CHE VARIA

PERIODICAMENTE NEL TEMPO(DEFINIZIONE:) CICLO = ANDAMENTO DELLA TENSIONE CHE SI RIPETE UGUALI

IN TEMPI UGUALI

(DEFINIZIONE:) PERIODO = TEMPO IMPIEGATO A COMPIERE UN CICLO

(DEFINIZIONE:) FREQUENZA = NUMERO DI CICLI COMPIUTI IN

1000 MILLISECONDI (ms).

La frequenza si indica con la lettera f, si misura in Hertz, abbreviato Hz.Il periodo si può calcolare dividendo il numero mille per il valore della frequenza.

(FORMULA:) PERIODO = 1000 / FREQUENZA

37



La distribuzione della tensione alternata nelle nostre abitazione

avviene tramite due fili: il filo di colore marrone o nero (chiamato

FASE) è il filo con un potenziale alternato pari a 220, il filo blu o

azzurro (chiamato NEUTRO) è invece il filo con un potenziale

nullo. Quindi tra fase e neutro c’e’ una differenza di potenziale pari

a 220 volt alternati.

In casa, alle nostre prese elettriche, arriva un ulteriore filo, di colore giallo a bande verdi

(chiamata TERRA) che ha il compito di disperdere nel terreno eventuali correnti che si

possono disperdere dal filo di fase. Il filo si massa è collegato sempre al telaio metallico

dell’elettrodomestico.

IL SISTEMA TRIFASE

Un sistema trifase è costituito, come si intuisce, da tre fasi che alimentano

contemporaneamente l'utilizzatore. Non si tratta di una banale moltiplicazione della singola

fase, ma esse, indicate dalle lettere R, S e T, sono interessate da tensioni alternate aventi

la stessa frequenza e normalmente la stessa tensione, ma sfasate tra loro di 120 gradi.

L'utilizzo del sistema trifase in bassa tensione (230 V) si ha per utilizzatori di media e altapotenza, mentre per la bassa potenza si usa il sistema monofase. In media e alta tensione

si usa esclusivamente il sistema trifase.

Il potenziale del neutro è rappresentato dal punto N e ogni fase ha una differenza di

potenziale rispetto al neutro di 230 volt.

38



ALIMENTAZIONE MONOFASE: L'alimentazione monofase, come quella che arriva nelle

abitazioni, deriva da un sistema trifase: l'ENEL mette a nostra disposizione solo una delle

tre fasi di cui dispone a monte, più il neutro, quindi una differenza di potenziale di 230 volt

ALIMENTAZIONE TRIFASE: L'alimentazione trifase offre due possibilità di collegamento:

A STELLA - si collegano i tre ingressi dell'utilizzatore tra fase e neutro (R-N, S-N, T-N)

applicando, quindi, ad ognuno una tensione di 230 volt (come nella figura precedente). Se

le tre fasi sono interessate dalla stessa corrente (IR = IS = IT), non si ha circolazione di

corrente sul neutro (IN = 0). Infatti sul neutro circola la somma delle tre correnti, ma tre

correnti uguali sfasate tra loro di 120° danno come somma un valore nullo.

A TRIANGOLO - si collegano i tre ingressi dell'utilizzatore tra fase e fase (R-S, S-T, T-R)

applicando una tensione di 400 volt. Non si ha bisogno del neutro.

NOTA BENE: Tra fase e neutro abbiamo una differenza di potenziale di 230 volt.

Tra due fasi abbiamo una differenza di potenziale di 400 volt.

ALTA TENSIONE

Perché si utilizza l'alta tensione (AT) per trasportare l'energia elettrica fino

alle nostre città, per poi passare alla media tensione (MT) e infine alla

bassa tensione (BT), che arriva nelle nostre abitazioni?

Abbiamo visto che la potenza dipende da due grandezze: la tensione V e

la corrente I e, in particolare dal loro prodotto.

Semplificando la parte matematica e utilizzando semplici valori, sappiamo

che la potenza (espressa in watt) é pari a: P = V x I

Ad esempio devo alimentare una lampadina da 100 watt. Posso scegliere diverse

soluzioni tra cui, ad esempio:

1 volt con 100 ampere oppure 100 volt con 1 ampere

39



Si nota subito che se aumento la tensione (in volt) posso ridurre la corrente (in ampere).

Poiché una corrente elevata mi crea grosse perdite e mi costringe ad usare cavi di

maggiore sezione, scelgo la soluzione dell'alta tensione, con una corrente più bassa.

PERICOLOSITA' DELLA CORRENTE ELETTRICA

Normalmente, in presenza di un incidente di natura elettrica, si è abituati a far riferimento

alla tensione quale causa dei danni (infatti si leggono o si ascoltano frasi del tipo: "... è

rimasto folgorato da un a scarica a 20.000 volt"). In realtà, anche se è dalla tensione che

parte il meccanismo, quella che produce direttamente i danni è la corrente.

Quando una corrente elettrica attraversa il corpo umano, i danni conseguenti dipendono

dal suo valore e dalla durata del fenomeno: La tetanizzazione si ha quando i muscoli rimangono contratti fino a quando il

passaggio di corrente elettrica non cessa: il soggetto può sembrare attaccato alla

parte in tensione, in quanto incapace di eseguire movimenti.

Paradossalmente può accadere che valori più elevati di tensione provochino una violenta

reazione del muscolo, tale da allontanare la persona dalla parte in tensione.

Per correnti più alte può intervenire l'arresto della respirazione.

Il cuore funziona grazie a stimoli elettrici, pertanto una corrente elettrica esternapuò alterare il suo funzionamento fino alla fibrillazione ventricolare.

La corrente elettrica, per effetto Joule, riscalda le parti attraversate. Si possono,

quindi, avere ustioni.

In figura sono rappresentate, in base al valore della corrente (espresso in mA -

milliampere) e alla durata del fenomeno (in secondi ), quattro zone di pericolosità, per una

frequenza compresa tra i 15 e i 100 Hz:

-zona 1 - al di sotto di 0,5 mA la corrente elettrica non vienepercepita (si tenga presente che una piccola lampada da 15

watt assorbe circa 70 mA);

-zona 2 - la corrente elettrica viene percepita senza effetti

dannosi;

-zona 3 - si possono avere tetanizzazione e disturbi reversibili

al cuore, aumento della pressione sanguigna, difficoltà di respirazione;

-zona 4 - si può arrivare alla fibrillazione ventricolare e alle ustioni.

ANOMALIE ELETTRICHE

40



BLACK OUTE' la mancanza totale di tensione. Se la causa è interna a un appartamento

dotato di impianto elettrico realizzato a regola d'arte, ci si trova in

presenza dell'intervento o della protezione differenziale o di quella magnetotermica.

SOTTOTENSIONEE' una riduzione, più o meno breve, della tensione. Può esserecausata dall'eccessivo assorbimento di corrente e quindi dalla

conseguente caduta di tensione nei cavi di alimentazione. Bisogna considerare, adesempio, la corrente di spunto dei motori elettrici: durante l'avviamento, l'assorbimento dicorrente è sensibilmente superiore a quello che si ha a regime.

RUMORELa tensione di alimentazione e quindi la corrente devono avereuna forma perfettamente sinusoidale. A volte interferenze

elettromagnetiche possono modificare in modo più o meno rilevante questa forma.

PICCO DI TENSIONEE' un aumento repentino e di breve durata della tensione dialimentazione. Può verificarsi, ad esempio, a causa di un fulmine

caduto nelle vicinanze della rete elettrica.SOVRATENSIONEE' un aumento, più o meno breve, della tensione. Ognicomponente elettrico possiede una tolleranza, diversa da caso a

caso, a questo tipo di variazione. I danni, pertanto, possono essere anche immediati. Inogni caso sovratensioni ripetute risultano dannose per quasi tutti gli utilizzatori elettrici.

COMPONENTI DI UN IMPIANTO

PRESE E SPINE

TIPO A - Standard italiano - E' la presa più diffusa nelle nostre abitazioni e può sopportareuna corrente massima di 10 ampere, cioè una potenza di circa 2000 watt. Nel suo usobisogna evitare il sovraccarico con prese multiple o con adattatori che permettanol'inserimento di spine da 16 A (adatte per le prese di tipo B). Il morsetto di terra è quellocentrale.TIPO B - Standard italiano - Può sopportare una corrente massima di 16 ampere (circa3500 watt). Si trova in casa in alcuni punti ove è previsto un maggiore assorbimento dicorrente (ad es. lavatrice). Il morsetto di terra è quello centrale.TIPO C - Presa bivalente - Unisce i due tipi precedenti permettendo l'inserimento sia dellespine da 10 A, sia di quelle da 16 A. Il morsetto di terra è quello centrale.TIPO D - Standard tedesco - Si può trovare generalmente in cucina per l'uso di alcunielettrodomestici come il frigorifero. La corrente può al massimo raggiungere 16 A. Imorsetti di terra sono posti lateralmente. Non basta la sola presa per stabilire quanta

corrente possiamo prelevare. Ad esempio:- in impianti non eseguiti a regola d'arte, una presa da 16 ampere potrebbe esserealimentata da cavi non idonei a sopportare tale corrente.

41

http://www.vitobarone.it/teoria/resist.htm

http://www.vitobarone.it/compo/cavi.htm


http://www.vitobarone.it/compo/cavi.htm



- una linea da 16 ampere può alimentare più prese da 16 ampere. Se preleviamo questacorrente da una sola presa, alle altre non è possibile collegare alcun carico (ovviamentedeve esserci una protezione a monte per evitare il sovraccarico).

LAMPADE AD INCANDESCENZA

Inventata nel 1879 da Thomas Edison, la lampada ad incandescenza è la piùcomune nelle nostre case. Sfrutta l'effetto Joule in quanto un filamento ditungsteno viene riscaldato dal passaggio della corrente elettrica e divieneincandescente. Il bulbo in vetro permette di creare il vuoto all'interno dellalampada in modo che il filamento non possa bruciare. L'impiego è moltosemplice poiché la loro accensione è immediata, non sono richieste

apparecchiature ausiliarie e la resa dei colori è ottima. Purtroppo hanno una bassaefficienza luminosa e una vita limitata (1000 ore), se confrontata con altri tipi di lampade.Solo il 5% dell'energia viene convertita in luce, il resto viene perso come calore. Variazioninella tensione di alimentazione si riflettono sensibilmente sul flusso luminoso.

LAMPADE ALOGENE

Sono anch'esse lampade ad incandescenza e quindisfruttano lo stesso principio. Nel bulbo sono introdotte

piccole quantità di alogeno che danno luogo a un processo che riporta sul filamento iltungsteno volatilizzato. Esistono lampade alogene del tipo rappresentato in figura, masono in commercio anche lampade con normale attacco a vite o quelle miniaturizzate

alimentabili in bassa tensione. Queste ultime possono essere dotate anche di specchioellittico, parabolico o dicroico. Anche le lampade alogene hanno accensione immediata,non richiedono apparecchiature ausiliarie e hanno un'ottima resa dei colori. Hanno unaefficienza luminosa superiore alle normali lampade ad incandescenza e una vita doppia(2000 ore), ma hanno un costo decisamente più elevato, una maggiore temperatura difunzionamento e sono più delicate. Il bulbo non deve essere toccato con mani nude,poiché le tracce lasciate innescano un processo di devetrificazione. Esistono lampadealogene miniaturizzate, alimentate anche a bassa tensione (6-12V) con e senza specchio.

LAMPADE TUBOLARI FLUORESCENTI

Queste lampade fanno parte della categoria dellelampade a scarica nei gas. Sono costituite da untubo le cui pareti sono rivestite di fosfori, cheemettono luce poiché colpiti dalla luce ultravioletta

prodotta dal gas di mercurio all'interno. Per accendersi hanno bisogno di una tensione diinnesco che si crea grazie allo starter e quindi di un dispositivo che limiti la corrente difunzionamento ovvero del reattore. La loro efficienza luminosa è più alta di quella dellelampade ad incandescenza e la durata può arrivare alle 10000 ore. Purtroppo hannobisogno di apparecchiature ausiliarie (starter e reattore), hanno grandi dimensioni e

generalmente non hanno un'accensione immediata e non si possono usare con regolatoridi luce. La durata risente del numero di accensioni e le basse temperature possonoridurne sensibilmente il flusso.

42



APPARECCHI DI COMANDO

INTERRUTTOREApparecchio che ha solo due posizioni definite, adatto ad aprire e chiudere,sotto carico, un circuito elettrico. IN FIGURA: circuito per l'accensione di unalampada da un solo punto.

COMMUTATOREApparecchio adatto a commutare, sotto carico, due o più circuiti.IN FIGURA: circuito per l'accensione indipendente di due lampade di un unicolampadario.

DEVIATOREApparecchio adatto a commutare fra loro, sotto carico, due conduttori di unaporzione di circuito bifilare avente la stessa polarità. IN FIGURA: circuito per l'accensione di una lampada da due punti (comune nei corridoi degliappartamenti).

INVERTITOREPer comandare l'accensione da più di due punti è praticol'uso dei relè. Esistono, comunque, gli invertitori da usareinsieme ai deviatori. Questi ultimi vengono posti alleestremità del circuito.IN FIGURA: circuito per l'accensione di una lampada datre punti

PULSANTE

Ha due posizioni, di cui una di riposo. Sono disponibili sia pulsanti che a riposo sono normalmente aperti(NO), sia pulsanti che a riposo sono normalmente chiusi (NC).

RELE' BISTABILI

Per comandare l'accensione di lampade da più di due punti, risulta comodo l'utilizzo di relè bistabili, cioè conentrambe le posizioni (aperto-chiuso) di riposo. Su questo apparecchio non si agisce manualmente, comeper quelli sopra descritti, ma tramite un circuito elettrico che viene alimentato premendo uno qualsiasi dei

pulsanti predisposti nei vari punti. Ogni volta il relè commuta in una delle due posizioni (aperto-chiuso) e virimane fino alla successiva pressione.

CONTATTORE

Interruttore comandato a distanza grazie a un elettromagnete che, fino a quando risulta alimentato, mantienechiusi i contatti. Permette molte manovre ogni ora e per questo è impiegato specie nel comando di macchineoperatrici.

INTERRUTTORI

43



Gli interruttori sono tra i componenti elettrici più utilizzati, ma forse non tutti sanno che essi appartengono adue categorie ben distinte: interruttori unipolari e interruttori bipolari.

INTERRUTTORE UNIPOLARE

In un'altra pagina si è spiegato come la corrente arriva alle varie apparecchiature, in un sistema monofase,sfruttando due cavi: la fase e il neutro. Basta interrompere indifferentemente uno solo dei due conduttori per interrompere la circolazione di corrente e quindi il funzionamento dell'apparecchiatura. A questo compito sipresta bene l'interruttore unipolare, cioè che agisce su un solo polo.Sono unipolari, ad esempio, gli interruttori che si usano per comandare le lampade di un normaleappartamento.

INTERRUTTORE BIPOLARE

Per scollegare completamente l'utilizzatore elettrico dall'impianto, l'interruzione deve avvenire, invece, siasulla fase che sul neutro ovvero sui due poli. In questo caso bisogna usare l'interruttore bipolare.Normalmente sono bipolari, ad esempio, tutti gli interruttori di protezione presenti nel quadro elettrico di unappartamento.

INTERRUTTORE MAGNETOTERMICO

La corrente elettrica, percorrendo i circuiti, produce fenomeni magnetici e fenomeni termici (riscaldamentoper effetto Joule. L'interruttore magnetotermico, come si evince dal nome, racchiude due sganciatori: unomagnetico e uno termico. Il primo, con intervento istantaneo, scatta a causa di un rapido e consistenteaumento della corrente, ben oltre il limite consentito. Questa situazione è tipica del cortocircuito.L'interruttore termico interviene per sovraccarico ovvero quando assorbiamo più corrente del consentito: ilsensore all'interno dell'interruttore si riscalda e provoca lo scatto. E' lo stesso tipo di interruttore che l'ENELusa per impedire un assorbimento superiore a quello previsto nel contratto.

L'interruttore magnetotermico protegge dal cortocircuito e dal sovraccarico.

L'interruttore è caratterizzato dalla tensione nominale, cioè dalla tensione del suo normale utilizzo(assegnata dal costruttore). Per i circuiti domestici è di 230 volt. La sua corrente nominale (In) è invecequella che può circolare senza problemi a una certa temperatura ambiente (indicata sulla targa se diversa da30°C). Le correnti nominali in uso hanno i seguenti valori espressi in ampere:

6 10 13 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125

Le modalità di intervento magnetico sono tre in base ai limiti della corrente di intervento (riferiti alla correntenominale In) in caso di cortocircuito:

INTERRUTTORE DIFFERENZIALE

L'interruttore differenziale, se presente nel nostro quadro elettrico d'appartamento, è facilmente riconoscibileper la presenza di un pulsante, utile per la manutenzione, contrassegnato dalla lettera T. I cavi checonducono la corrente elettrica sono generalmente due: la fase e il neutro. Poiché la corrente entra dallafase, percorre i circuiti ed esce dal neutro, in condizioni normali quella entrante deve essere uguale a quellauscente. Se ciò non accade significa che una parte di essa sta percorrendo strade diverse, come il corpo

umano in caso di scossa elettrica (contatto diretto) o per cedimento dell'isolante, ad esempio, di unelettrodomestico collegato all'impianto di terra. L'interruttore differenziale (conosciuto anche come salvavita)confronta continuamente la corrente entrante con quella uscente e scatta quando avverte una differenza.

44

http://www.vitobarone.it/teoria/contatti.htm




In figura è rappresentato un contatto diretto: in sua assenza le correnti A e C sono uguali e il differenzialenon interviene, ma nel caso specifico C=A-B, per cui il differenziale avverte una differenza pari a B e sequesta è superiore alla sua soglia di sensibilità, interviene. La sensibilità è indicata sull'interruttore.Bisogna, quindi, stare attenti alle cause che hanno provocato lo scatto, prima di richiudere l'interruttore.

L'interruttore differenziale, in un impianto domestico, deve avere una sensibilità di valore non

superiore a 30 milliampere

Un qualunque impianto elettrico, specie se vecchio e con componenti non in perfette condizioni, ha dellepiccole dispersioni di corrente che, sommate tra loro, possono provocare lo scatto dell'interruttoredifferenziale, senza particolari situazioni di pericolo. Per questo è consigliabile non usare nel quadro elettricogenerale un interruttore differenziale con sensibilità di valore inferiore a 30 milliampere (30 mA). Singoleprese possono comunque essere protette con sensibilità di 10 mA.Esistono anche interruttori magnetotermici differenziali che racchiudono in un solo componente anche glisganciatori magnetici e termici.

FUSIBILI

I fusibili, come il nome stesso suggerisce, sono dispositivi la cui parte conduttrice fonde per effetto Joule inpresenza di correnti con valore maggiore della soglia ammessa. In pratica interrompono il circuito inpresenza di sovraccarico o di corto circuito. Rispetto al passato hanno perso importanza a favore degliinterruttori magnetotermici, ma sono ancora utilizzati. Tutto l'insieme costituito dalla parte conduttrice, dalcontenitore isolante e dai contatti prende il nome di cartuccia e va sostituita, ovviamente, dopo l'intervento.La cartuccia viene alloggiata in un portafusibili. Per un uso generale esistono fusibili di tipo gG, mentre per laprotezione dei motori esistono fusibili di tipo gM e aM. La corrente nominale è quella che il fusibile puòsopportare senza fondere. I valori disponibili, in ampere, sono:

2 - 4 - 6 - 8 - 10 - 12 - 16 - 20 - 25 - 32 - 40 - 50 - 63 - 80 - 100

Esistono anche fusibili con correnti nominali più elevate, ma adoperabili solo da personale addestrato. Anchei circuiti elettronici (tensioni e correnti basse) sono spesso protetti con fusibili. Accade in particolare nellasezione di alimentazione. Sono ovviamente più piccoli di quelli utilizzati negli impianti elettrici. All'interno delcilindro trasparente è visibile l'elemento destinato a interrompersi in caso di intervento. Anche in questocaso, per ripristinare il funzionamento del circuito, bisogna sostituirlo con un fusibile dalle identichecaratteristiche. E' opportuno, però, indagare prima sulle cause che hanno portato all'intervento.

IMPIANTO DI TERRA

Può succedere di toccare un oggetto conduttore che normalmente si trova a potenziale zero, ma che per un'anomalia nel funzionamento si trova a potenziale diverso da zero (contatto indiretto).Ad esempio se cede l'isolante del circuito elettrico di una lavatrice, l'intera parte metallicadell'elettrodomestico si potrebbe portare a 230 volt, con pericolo in caso di contatto.

L’impianto di terra collega l'oggetto con un corpo che è costantemente vincolato a potenziale zero. Se ilcollegamento è a resistenza nulla (R=0), anche l'oggetto si porta a potenziale zero, eliminando il pericolo.Il corpo che ci garantisce un potenziale costantemente vincolato a zero è il nostro pianeta Terra.Il collegamento a terra non è mai a resistenza zero, in quanto qualsiasi conduttore elettrico possiede unacerta resistenza. Comunque si fa in modo che questa sia la più bassa possibile, avvicinandosi così al casoideale. Collegando a terra le previste parti metalliche di apparecchi elettrici, ci poniamo al sicuro da contatticon potenziali pericolosi. Normalmente le apparecchiature elettriche che abbiamo in casa vengono collegatea terra tramite l'alveolo centrale delle prese (solo se l'impianto di terra è esistente). Il collegamento a terraprovoca, in caso di guasto, una circolazione di corrente dall'oggetto verso terra. Questa corrente vieneavvertita dall'interruttore differenziale (salvavita), che scatta eliminando la tensione da tutto l'impiantoelettrico collegato.In un impianto elettrico ogni massa, tramite il conduttore di protezione, è collegata al collettore (o nodo)principale di terra. A sua volta il conduttore di terra collega il nodo ai dispersori e i dispersori tra loro. Questiultimi, in intimo contatto col terreno, costituiscono la parte terminale dell'impianto. Al nodo di terra vannocollegati anche i conduttori equipotenziali, che collegano le masse estranee come tubazioni e strutturemetalliche. La sezione del conduttore di protezione deve essere la stessa dei conduttori di fase fino a 16mmq.

45

http://www.vitobarone.it/compo/magnterm.htm

http://www.vitobarone.it/teoria/resist.htm#joule




http://www.vitobarone.it/compo/differ.htm


http://www.vitobarone.it/teoria/resist.htm#joule




http://www.vitobarone.it/compo/differ.htm



IL TESTER

Ecco alcuni consigli pratici su come utilizzare il tester per le varie misure.

Le parti principali di un tester sono:

il display, dove appaiono i valori misurati il selettore, che permette di scegliere la

portata corretta per la misura da effettuare i puntali, uno rosso (positivo) ed uno nero

(negativo), che andranno inseriti nelle appositeboccole.

Quanto descritto si riferisce al tester che appare infigura, ma, a parte piccole differenze, i metodi diutilizzo restano validi anche altri tester.

IL DISPLAY

Normalmente il display è a cristalli liquidi; un display di 3 cifre e mezzo. Si può

considerare sufficientemente preciso per l’utilizzo hobbistico - amatoriale. Occorrescegliere per ogni misura la portata corretta, al fine di sfruttare tutte le cifre disponibiliper la lettura del valore misurato.

IL SELETTORE

La manopola che si trova al centro del tester permette di scegliere, sia il tipo digrandezza che si vuol misurare, sia la portata massima, più correttamente il valoremassimo misurabile. La rotazione è suddivisa in vari settori. Troviamo le misure diresistenza, indicate dal caratteristico simbolo "Ω"; in funzione della resistenza che

pensiamo di misurare, sceglieremo una delle portate indicate: 200 (ohm), 2k (2 kohm),200k (200 kohm), 2M (2 megaohm), 20M (20 megaohm).

La scelta della portata corretta è importante per avere unamisura precisa. Es. se vogliamo misurare una resistenza di350 ohm: impostando la portata 2K, leggeremo sul display".350" che significa 0,250 Kohm e, quindi, 250 ohm.Scegliendo invece la portata 20k: leggeremo "0.25", chesignifica che abbiamo già perso la precisionecorrispondente all'ultima cifra. Infine impostando comeportata 200k, otteniamo addirittura sul display "00.2", cheperde quasi significato. La prima posizione, contrassegnata

dal simbolo della nota musicale o dal simbolo del diodo, si utilizza per i controlli dicontinuità (per esempio per verificare se un cavo è interrotto), se il cavo è integro , il

46



tester emette un segnale acustico. Troviamo poi le misure di tensioni continue, con leportate 200m (200 millivolt), 20, 200 e 1000 V. Anche per queste misure vale ilprincipio di scegliere sempre la portata più vicina, o meglio immediatamente superiore,al valore che si intende misurare. Subito dopo si trova il settore per le misure dicorrente alternata (settore rosso), indicate da "A~" e successivamente il settore per le

misure di corrente continua (settore verde), indicate da "A--". Per ogni misura, occorrequindi posizionare la manopola all'interno del settore corrispondente, scegliendo laportata più vicina e corretta.

INSERIMENTO DEI PUNTALI

Nella parte bassa del tester si trovano quattroboccole rosse, dove bisogna inserire gli spinotti deipuntali per effettuare le misurazioni; il puntale nerova inserito sempre nella boccola contrassegnata con

"COM", che sta per "comune", invece la posizionedel puntale rosso cambia in funzione del tipo dimisura. Per le misure di tensione e di resistenza, ilpuntale rosso va inserito nella boccolacontrassegnata "V/Ω".Per misure di corrente fino a 2 A, il puntale rosso vainserito nella boccola 2A. Notare che la manopoladel selettore di misura deve trovarsi sul 2 del settoreverde se si tratta di corrente continua, oppure sul 2del settore rosso se si deve misurare correntealternata. Per misurare correnti fino a 10 A (figura 5),

il puntale rosso va nella boccola "10A”.

MISURARE UNA TENSIONE

Ci sono vari modi di misurare una tensione. Il riferimento nelle nostre misure si ottienemettendo in contatto il puntale nero col punto del circuito rispetto al quale si vuole

effettuare la misura.

Esempio: per misurare la tensione rispetto a massa in vari punti di un circuito, occorre

collegare il puntale nero al negativo dell'alimentazione del circuito e il puntale rosso nelpunto in cui voglio sapere che tensione c’è.

47



MISURARE UNA CORRENTE

Per misurare una corrente occorre che questa passi attraverso il tester; occorre staccareuno dei cavi (per esempio il rosso) e ricreare il collegamento usando il tester per unire

l'alimentatore alla batteria.

E' importante in queste misure fare molta attenzione a selezionare correttamente laportata, e ad inserire i puntali nelle boccole giuste, in caso contrario si rischia didanneggiare il tester. Anche effettuando misure di corrente, se il display indica un valorepreceduto dal segno "-", vuol dire che la corrente sta entrando nel tester dal puntale nero,invece che dal puntale rosso.

IL MAGNETISMO

48



Per magnetismo si intende la proprietà di attirare dei pezzettini di ferro. Un pezzo di

materiale che è dotato di magnetismo si chiama magnete o calamita.

In natura esistono delle rocce che si comportano da magneti; per esempio la magnetite;

tali magneti vengono detti naturali perché esistono in natura. Si chiamano magneti

artificiali quelli costruiti dall'uomo; per esempio la calamita è un magnete artificiale in

quanto è costruita prendendo un pezzo di ferro e magnetizzandolo con la corrente. I

magneti artificiali si possono costruire di due tipi: magneti permanenti e magneti

temporanei. Un magnete si dice permanente se conserva la magnetizzazione per molto

tempo; la calamita e' un magnete permanente. Un magnete si dice temporaneo se si

comporta da magnete quando attorno ad esso si fa circolare della corrente elettrica e poi

perde il magnetismo non appena finisce la corrente. Per esempio nel relè e' presente un

magnete temporaneo. Non tutti i metalli si magnetizzano. Si chiamano ferromagnetici i

materiali che si magnetizzano molto bene, come il ferro. Si chiamano diamagnetici i

materiali che non si magnetizzano affatto come il rame e l'alluminio. Nei magneti

distinguiamo un polo nord N e un polo sud S.

Non si può isolare il polo nord dal polo sud, ma per ogni polo N

esiste un polo S. Poli dello stesso nome si respingono; poli di

nome contrario si attraggono. Si chiama campo magnetico lo

spazio che circonda un magnete. Il campo magnetico si

rappresenta con delle linee di forza che partono dal polo nord e

terminano al polo sud esternamente al magnete.

Un filo percorso da corrente genera attorno a sé un campo

magnetico. Se la corrente e' diretta verso l'alto il verso del campo

magnetico e' antiorario, cioè contrario alle lancette dell'orologio

tradizionale. Se il filo lo ripiego a forma dicirconferenza, cioè creo una spira, e la

corrente circola in senso antiorario nel filo il polo nord si trova

sopra e quindi il sud sotto.

Il tipo di magnetismo generato dalla corrente elettrica si dice

elettromagnetismo. Si chiama solenoide un lungo filo avvolto in modo da

formare tante spire; il solenoide e' detto anche bobina. Per costruire un

49



elettromagnete occorre un pezzo di ferro su cui avvolgiamo un certo numero di spire, cioè

un solenoide.

Se il pezzo di ferro e' molto puro, cioè e' ferro dolce, quando stacco la corrente il

magnetismo sparisce. Se invece il ferro non e' puro ma e' misto a carbonio o nichel allora

il magnetismo resta anche quando stacco la corrente e il pezzo di ferro si chiama calamita

o magnete permanente.

L’ ELETTRO-MAGNETISMO E LA LEGGE DI FARADAY-NEUMANN-LENZ

Consideriamo il seguente esempio. Un magnete genera un campo magnetico che

influenza un solenoide. L’intensità del campo

magnetico può essere variata avvicinando o

allontanando il magnete dalle spire. Collego un

tester al solenoide in grado di misurare valori di

tensione.

Se il solenoide e il magnete restano fermi, non sinota alcuna tensione misurata dal tester. Qualora, invece, anche uno solo dei due

componenti si muove, vi sarà una tensione misurata. Quindi per ottenere una certa

tensione nella spira si può:

Tenere fermo il solenoide e muovere il magnete. Tenere ferma il magnete e muovere il

solenoide. Muovere sia il solenoide sia il magnete.

Solo durante il movimento o la variazione, vi è tensione; non appena il movimento o la

variazione si arresta, la tensione sparisce.

La tensione che si forma nel solenoide si dice forza elettromotrice indotta. La causa che

genera tale forza elettromotrice indotta è la variazione di flusso magnetico all’interno delle

spire. Ciò può essere sintetizzato con la legge di Faraday - Neumann - Lenz che dice:

(DEFINIZIONE): LA FORZA ELETTRO-MOTRICE VIENE INDOTTA IN UNA SPIRA A

CAUSA DI UNA VARIAZIONE DI UN FLUSSO MAGNETICO.

TRASFORMATORE

50



Il trasformatore è una macchina elettrica che ha lo scopo di trasformare una tensione

alternata avente un certo valore in un'altra, sempre alternata ma di valore diverso. La

realizzazione pratica e lo schema elettrico sono i seguenti:

Il trasformatore è costituito da due avvolgimenti, cioè da due solenoidi costituiti da spire di

filo di rame smaltato. Quello di alimentazione viene detto avvolgimento primario. Il

secondo avvolgimento viene detto secondario. All'interno degli avvolgimenti vi è un nucleo

di materiale ferromagnetico, che ha lo scopo di far circolare il flusso magnetico all'interno

dei due avvolgimenti. Il trasformatore è una macchina reversibile, cioè può essere

alimentata sia dal primario, con tensione V1, ottenendo in uscita una tensione V2; oppure

dal secondario con tensione V2, ottenendo in uscita la tensione V1. La tensione di

alimentazione deve essere sempre di tipo alternato, con valore di tensione e di frequenza

stabiliti dal costruttore. Il trasformatore non può funzionare con tensione continua, perché il

flusso magnetico sarebbe costante e non vi sarebbero forze elettromotrici. Se indichiamo

con N1 il numero di spire del primario e con N2 il numero di spire del secondario, si dice

rapporto spire il rapporto:

RAPPORTO SPIRE = N1

N2

Si dice rapporto di trasformazione il rapporto:

RAPPORTO DI TRASFORMAZIONE = V1

V2

Si ottiene che:

(FORMULA:) V2 x N1 = V1 x N2

51



cioè il rapporto di trasformazione è uguale al rapporto spire. In pratica se N 1=N2 si ha che

V1=V2. Se N1>N2 la tensione al primario sarà maggiore della tensione al secondario, cioè

V1>V2 ed il trasformatore si dice di tipo abbassatore, cioè la tensione di uscita è inferiore a

quella di ingresso. Se, invece, N2 > N1 la tensione al secondario sarà maggiore di quella al

primario, cioè V2>V1, e quindi il trasformatore sarà di tipo elevatore, cioè una bobina.

COME COSTRUIRE UN ALIMENTATORE

Un alimentatore serve a far funzionare con l'energia elettrica di rete tutte quelle

apparecchiature che non possono essere collegate direttamente alla presa a 220V, ma

necessitano di una tensione diversa, in genere molto più bassa, simile a quella fornitadalle pile. Per fare in modo che la tensione alternata disponibile nelle prese di casa diventi

uguale a quella di una pila, l'alimentatore utilizza diversi componenti, ciascuno con una

specifica funzione: vedremo quali sono questi componenti, esaminando la realizzazione

del più semplice degli alimentatori.

IL TRASFORMATORE

Il trasformatore ha il compito di abbassare la tensione di rete; esso è composto in genereda due avvolgimenti distinti: uno, di entrata, detto primario, che viene collegato a 220V;

uno di uscita, detto secondario, che fornisce una tensione più bassa di quella in entrata,

adatta alle esigenze dell'utilizzatore, cioè dell'apparecchio che si vuole alimentare. A

seconda dei tipi, il trasformatore può avere uno o due avvolgimenti secondari; vedremo

come sfruttare nel modo migliore sia un tipo che l'altro.

IL RADDRIZZATORE

La tensione che esce dal trasformatore non può alimentare un apparecchio fatto per

funzionare con delle pile; mentre le pile hanno infatti una tensione continua, la tensione

che esce dal trasformatore è ancora una tensione alternata, il che vuol dire che cambia di

polarità continuamente (per l'esattezza: 50 volte al secondo). Occorre allora "raddrizzare"

tale tensione, per ottenere che all'utilizzatore arrivi un flusso di corrente diretto sempre

nello stesso verso. Il compito di bloccare la corrente nei momenti in cui il flusso si inverte è

affidato al ponte a diodi.

52



IL CONDENSATORE DI LIVELLAMENTO

La tensione alternata che arriva dal trasformatore, resa monodirezionale tramite i diodi,

non ha ancora un valore costante: il suo valore cambia continuamente, passando da zero

a un valore massimo, e questo accade, come si è detto prima, cinquanta volte in unsecondo. Il condensatore che si aggiunge al circuito funziona come serbatoio di riserva:

immagazzina energia quando la tensione è massima e la restituisce quando la tensione

tende a scendere.

53



L'alimentatore descritto è molto semplice, per cui non dispone di un sistema di regolazione

della tensione che arriva all'utilizzatore; per ottenere in uscita la tensione desiderata,

l'unico modo è quello di usare un trasformatore il cui secondario dia una tensione ben

precisa. Vediamo allora come va calcolata la tensione secondaria del trasformatore:

• chiamiamo VU la tensione che deve arrivare all'utilizzatore

• aggiungiamo 1 al valore di VU per tenere conto della caduta di tensione nei diodi

raddrizzatori

• dividiamo il valore ottenuto per 1,41 per passare dal valore massimo al valore

efficace

• moltiplichiamo il valore ottenuto per 1,1 per tenere conto della caduta di tensione

nel trasformatore durante il funzionamento sotto carico

Con questi calcoli si ottiene VS e cioè il valore della tensione che deve avere il secondario

del trasformatore; chi non ha voglia di fare conti, nella tabella a destra trova i valori già

calcolati. Occorre tenere presente che i valori indicati sono approssimativi, anche perché,

a meno di non farlo avvolgere appositamente, difficilmente si riuscirà a trovare un

trasformatore con le tensioni esatte.

Il trasformatore deve poi essere adatto alla potenza richiesta: occorre moltiplicare la

tensione di funzionamento dell'utilizzatore per la corrente che esso richiede; il valore

ottenuto va maggiorato di circa il 20% se l'alimentatore deve funzionare saltuariamente,

oppure del 40% nel caso di funzionamento prolungato o continuo.

Esempio pratico: un apparecchio deve funzionare a 12 V ed assorbe 1,5 A di corrente;

la potenza del trasformatore è:

• 12 x 1,5 x 1,2 = 21,6 VA (per funzionamento saltuario)

• 12 x 1,5 x 1,4 = 25,2 VA (per funzionamento prolungato)

I diodi vanno scelti in base alla tensione ed alla corrente che li attraversa. Per la tensione

non ci sono problemi, considerato che qualunque diodo raddrizzatore può funzionare

tranquillamente fino a tensioni di almeno 50V. La corrente va calcolata in previsione del

fatto che, al momento dell'accensione, i diodi sono attraversati dal forte picco di corrente

che va a caricare il condensatore elettrolitico completamente scarico; per tale motivo è

bene utilizzare diodi in grado di sopportare correnti maggiori di quelle richiestedall'utilizzatore, e ciò tanto più quanto maggiore è la capacità del condensatore di

livellamento.

54



Il condensatore deve essere adatto alla tensione di uscita dell'alimentatore; in merito alla

sua capacità, questa dipende sia dalla corrente richiesta dall'utilizzatore, sia dal circuito

utilizzato: con un raddrizzatore ad una semionda, per esempio, occorre un condensatore

di capacità doppia rispetto ad un raddrizzatore a due semionde.

Il calcolo del condensatore è piuttosto complesso, e tiene anche conto della percentuale di

ondulazione residua che si è disposti ad accettare in uscita; per tale motivo consiglio allora

di procedere per via sperimentale, usando per esempio un valore di capacità iniziale di

circa 1000 µF. In certi casi ci si accorge che tale valore è insufficiente: per esempio,

usando l'alimentatore per far funzionare una radiolina, si avverte nell'altoparlante un certo

ronzio; in tal caso è senz'altro possibile passare gradualmente a valori più alti, come 2200,

3300 o 4700 µF (si noterà che man mano il ronzio diminuisce).

MOTORI E GENERATORI ELETTROMAGNETICI

MOTORE IN CORRENTE CONTINUA

Il motore in corrente continua è una macchina elettrica che

trasforma la potenza elettrica assorbita dall'alimentazione in

movimento rotatorio.

Il motore in corrente continua (brevemente motore in CC) è

stato il primo motore elettrico realizzato, ed è tuttora

utilizzato ampiamente per piccole e grandi potenze, inoltre

tale motore può funzionare da dinamo. Sono a corrente

continua (o comunque alimentabili in corrente continua)

numerosi motori di piccola potenza per usi domestici, come anche motori per trazione

ferroviaria e marina della potenza di molte centinaia di kW.

Il classico motore in corrente Continua ha una parte che gira detta appunto rotore o anche

armatura e una parte che genera un campo magnetico fisso (nell'esempio i due magneti

colorati) detta statore. Un interruttore rotante detto commutatore o collettore a spazzole

inverte due volte ad ogni giro la direzione della corrente elettrica che percorre i due

avvolgimenti generando un campo magnetico che entra ed esce dalle parti arrotondate

dell'armatura. Nascono forze di attrazione e repulsione con i magneti permanenti fissi

(indicati con N ed S nelle figure).

- La velocità di rotazione dipende da:

55



- Tensione applicata.

- Corrente assorbita dal rotore.

- Carico applicato.

La coppia generata è proporzionale alla corrente ed il controllo più semplice agisce sulla

tensione d'alimentazione, mentre nei sistemi più complessi si usa un Controllo automatico

in retroazione che legge le variabili per generare la tensione da applicare al motore. Il

motore CC a magneti permanenti ha un comportamento reversibile: diventa un generatore

di corrente continua se si collega un altro motore all'albero. Si può allora prelevare

l'energia elettrica prodotta collegandosi alle spazzole, inoltre da questo si può intuire la

sua capacità di agire anche da freno e/o usato per il recupero dell'energia nei mezzi ibridi

o essere semplificato come un semplice freno: applicando tra le spazzole un resistore

l'energia meccanica trasmessa all'albero si dissipa su questo resistore). Riassumendo si

può affermare che il motore CC ha tutte le funzioni necessarie per un mezzo mobile: oltre

alla funzione di motore può recuperare l'energia funzionando da dinamo quando serve

l'azione frenante o agire semplicemente da freno.

Il suo limite principale è nella necessità del commutatore a spazzole:

Le spazzole sono in grafite, mentre nei piccoli servomotori e nei tipi utilizzati nei lettoriCD/DVD o registratori a cassette sono in lega metallica bianca.

La differenza è nella frequenza della loro sostituzione, infatti nelle macchine utensili come

smerigliatrici o trapani, si utilizzano spazzole in grafite, perché è molto semplice e veloce

sostituirle, le spazzole in metallo, sono usate su apparecchi dove risulta scomodo o non

conveniente cambiarle, come nei motori d'avviamento dei mezzi di trasporto.

Le spazzole pongono un limite alla massima velocità di rotazione: maggiore è la velocità e

più forte è la pressione che bisogna esercitare su di esse per mantenere un buon contatto,comunque i motori usati negli aspirapolvere e negli elettroutensili portatili (trapani, mole,

ect.) possono raggiungere i 35000-45000 giri al minuto.

56



Tra spazzole e collettore, nei momenti di commutazione, si hanno transitori di apertura

degli avvolgimenti induttivi e quindi scintillio (attenuabile con opportuni sistemi ma non

eliminabile).

Queste scintille comportano disturbi elettrici sia irradiati nell'ambiente circostante che

trasmessi al generatore di tensione (che alimenta il motore); questi disturbi, in determinati

settori di impiego, possono causare problemi di compatibilità elettromagnetica.

La presenza di avvolgimenti elettrici sul rotore ha anche due aspetti negativi:

Se il motore è di grossa potenza si hanno dei problemi di smaltimento del calore (gli

avvolgimenti si riscaldano per effetto Joule e il campo magnetico alternato nel nucleo del

rotore genera altre perdite, causate da isteresi magnetica e correnti parassite nel nucleo

stesso, e quindi altro calore.

Gli avvolgimenti appesantiscono il rotore (aumenta il momento d'inerzia): se il motore deve

rispondere con rapidità e precisione (come avviene nelle automazioni industriali e nella

robotica) il controllo diventa più complesso; per piccole potenze (da 1 a 200W) e

servocontrolli a volte si usano particolari tipi di motori con rotore con avvolgimenti a forma

di bicchiere e privo del nucleo di ferro, detti "ironless": hanno bassa inerzia e rendimento

elettrico più elevato dei loro corrispondenti con rotore avvolto su nucleo di ferro.

Motore brushless

I problemi illustrati si potrebbero evitare scambiando il rotore con lo statore (cioè se gli

avvolgimenti venissero messi sulla parte fissa e i magneti fossero montati sul rotore).

Scomparirebbe il collettore a spazzole, e gli avvolgimenti elettrici potrebbero smaltire più

facilmente il calore generato. È quello che si fa nei motori brushless (in inglese

letteralmente: senza spazzole). Essi permettono inoltre di ridurre ulteriormente le

dimensioni del rotore (e quindi le sue inerzie) usando materiali magnetici più efficienti

come le leghe di cobalto. In questi motori il circuito di alimentazione deve essere più

sofisticato, dato che le funzioni del collettore meccanico sono svolte tramite un controllo

elettronico di potenza.

DINAMOLa dinamo è lo stesso motore in corrente continua, che si chiama motore in corrente

continua se riceve alimentazione da un generatore di tensione e fornisce un movimento

del rotore, se invece non si applica alimentazione o si alimenta uno solo degli

avvolgimenti, sull'altro avvolgimento è disponibile una tensione continua che può essere

utilizzata, in tal caso si chiama dinamo. La dinamo, quindi, è un generatore di tensione che

57

http://it.wikipedia.org/wiki/Motore_brushless

http://it.wikipedia.org/wiki/Motore_brushless



trasforma il movimento dell'albero rotore in elettricità.

Avendo tale proprietà il motore in corrente continua e

la dinamo si dicono reversibili. Una dinamo quindi è

una macchina elettrica rotante per la trasformazione di

lavoro meccanico in energia elettrica, sotto forma di

corrente continua assumendo la funzione di

trasduttore. Nella sua forma più semplice consiste di

una spira conduttrice (rotore) immersa in un campo magnetico (generato ad esempio da

una coppia di magneti permanenti, i quali formano lo statore) e messa in rotazione da un

albero. Per la legge di Faraday per l'induzione un conduttore che si muove in un campo

magnetico (purché non parallelamente ad esso) vede nascere una forza elettromotrice

indotta ; chiudendo quindi la spira su un carico elettrico (ad esempio una lampadina, o un

accumulatore) si può misurare una corrente scorrere nella spira stessa e nel carico (la

lampadina si accende). Se ci fermassimo qui, però, la dinamo non funzionerebbe, infatti fin

qui la corrente è tutt'altro che continua, infatti la differenza di potenziale nella singola spira

varia con legge sinusoidale con l'angolo di rotazione e quindi cambia segno ogni mezzo

giro (producendo corrente alternata). È quindi necessario connettere i capi della spira ad

un oggetto chiamato "collettore" o "commutatore", calettato sul rotore e solidale ad esso,

che, attraverso un contatto strisciante con spazzole (dette carboncini), scambia i capi della

spira ogni mezzo giro mantenendo la tensione in uscita sempre dello stesso segno.

Per motivi di corretto funzionamento ed efficienza energetica le realizzazioni reali sono

leggermente più complesse, prevedendo diverse spire avvolte sul rotore lungo i 360°

ognuna delle quali deve commutare i propri capi ogni mezzo giro. Inoltre, per potenze

superiori a pochi watt, anche lo statore (quello che genera il campo magnetico) è

"avvolto", cioè il campo magnetico è prodotto da spire avvolte sui poli statorici, all'internodelle quali scorre la corrente di induzione o di eccitazione.

Campi di utilizzo

Le dinamo sono oggi utilizzate soprattutto per le piccole potenze. La dinamo è una

macchina elettrica reversibile, ovvero può funzionare anche come motore elettrico: se

infatti si invia ai morsetti del collettore una tensione continua la corrente che scorre nelle

spire interagisce con il campo magnetico di statore generando una forza tangenziale sututte le spire del rotore, causando la rotazione del rotore stesso ovvero una coppia

sull'albero di uscita. Questo è detto motore in CC ed è utilizzato per potenze da pochi watt

58



(nei modellini radiocomandati e in tutti gli utensili ed elettrodomestici a batteria) fino ad

alcuni megawatt (in tutte le motrici ferroviarie escluse quelle di ultima generazione, che

utilizzano motori asincroni trifase). Nota curiosa: si noti che la cosiddetta "dinamo"

applicata alle biciclette è in realtà un alternatore, in quanto produce corrente alternata.

MOTORE SINCRONO

La macchina sincrona è una macchina reversibile, nel senso che se alimentiamo lo statore

con un sistema trifase di tensioni alternate, ed alimentiamo il rotore con una tensione

continua, il motore ruota a velocità costante, anche se aumenta il carico; infatti non

rallenta come i comuni motori all'aumentare del carico.

La sua velocità è, nel caso di una sola coppia polare:

n = 60 f

dove n è il numero di giri al minuto, mentre f è la frequenza. Poiché la frequenza è quella

di rete e resta costante a 50 Hz, anche la velocità resta sempre costante, e per questo il

motore si dice sincrono, cioè mantiene sempre la velocità di sincronismo.

Un inconveniente del motore sincrono è la incapacità di avviarsi da solo, in quanto non

possiede una coppia di spunto, cioè la coppia necessaria a far partire il motore da fermo;

per cui necessita di un motore di avviamento, che viene staccato una volta che il motore

sincrono ha raggiunto la velocità di sincronismo.

MOTORE ASINCRONOIl motore asincrono è un tipo di motore elettrico in corrente alternata in cui la frequenza

di rotazione non è uguale o un sottomultiplo della frequenza di rete, ovvero non è

"sincrono" con essa; per questo si distingue dai motori sincroni. Il motore asincrono è detto

anche motore ad induzione in virtù del suo principio di funzionamento descritto di seguito.

Questo motore può essere utilizzato come alternatore con o senza l'utilizzo di

condensatori a seconda se viene collegato alla rete o no, ma solo una minima parte dei

alternatori è di questo tipo dato il suo minore rendimento.

59



Il motore si compone di una parte fissa detta statore e una parte mobile detta rotore,

ambedue di forma cilindrica. In ambedue le parti, delle quali lo statore contiene il rotore,

sono praticati dei fori paralleli all'asse del cilindro, detti cave, destinati ad ospitare gli

avvolgimenti, ovvero l'insieme dei conduttori. Lo statore contiene in genere un numero pari

di avvolgimenti in quanto, normalmente, ce ne sono 2 per ciascuna fase di alimentazione.

Un motore a tre fasi, o trifase, avrà di norma sei avvolgimenti ovvero tre coppie polari .

I due avvolgimenti di ciascuna coppia polare sono

collegati in serie e disposti fisicamente l'uno di

fronte all'altro. Le coppie polari sono alimentate

da una terna di correnti sinusoidali sfasate di 120°

che producono un campo magnetico complessivo

che ruota nello spazio. Il rotore è dotato di un

certo numero di fasi di norma chiuse in corto

circuito.

La rotazione del campo magnetico di statore avviene ad una velocità fissa n legata alla

frequenza di alimentazione f, detta velocità di sincronismo. La velocità di rotazione del

rotore nr sarà sempre minore di quella di sincronismo. Questa differenza fa sì che il rotore

"veda" un campo magnetico che ruota ad una velocità n-nr, pertanto esso sarà sede di

forze elettromotrici e quindi correnti indotte (per questo si parla di motore a induzione).

Evidentemente le correnti di rotore produrranno a loro volta un campo magnetico che

ruota a velocità n-nr rispetto al rotore il quale ruota a velocità nr rispetto allo statore; il

risultato è che il campo di rotore ruota a velocità n rispetto allo statore ed è dunque

sincrono con il campo di statore.

Tale condizione di sincronismo tra le due onde di campo magnetico assicura che il motore

produca una coppia costante. La situazione in cui n=nr, cioè velocità di rotore uguale a

quella di sincronismo, è una condizione limite in cui non vi sono forze elettromotrici (e

quindi correnti indotte) e dunque la coppia motrice è zero. Diversamente, la mutua

interazione attraverso i relativi campi magnetici tra le correnti di rotore e quelle di statore

produce una coppia risultante netta.

Il legame tra velocità di sincronismo, frequenza f di alimentazione ed il numero di coppie

polari p è espresso dalla relazione:

60



Dove n è espressa in rpm (rotazioni per minuto) ed f è espressa in Hertz. Per esempio, un

motore con tre coppie polari (6 poli totali), alimentato a 50 Hz ha una velocità angolare di

sincronismo di 1000 giri al minuto.

La velocità del rotore in condizioni nominali è sempre minore di un 3%/6%; è il fenomeno

dello scorrimento (slip) che consente la produzione della coppia. Dalla formula dello

scorrimento posso esprimere la velocità di rotazione effettiva del rotore (nr):

Ovviamente il valore effettivo dello scorrimento dipende dal carico effettivo sul rotore. Il

carico non è mai zero perché sono sempre presenti i fenomeni di attrito di scorrimento tra

parti mobili e con l'aria che impediscono al motore di ruotare alla velocità di sincronismo,

impegnando una certa coppia.

Gli avvolgimenti statorici sono in genere inglobati in resine che garantiscono un'ottimaprotezione dall'acqua e dagli agenti atmosferici. Questi motori sono frequentemente

alimentati per mezzo di inverter elettronici che possono variarne la velocità variando in

modo coordinato la frequenza e la tensione di alimentazione. L'uso di inverter permette di

azionare il motore anche a partire da una corrente continua, come avviene nella trazione

ferroviaria.

Gli avvolgimenti statorici trifase possono essere collegati a stella oppure a triangolo,

permettendo di alimentare lo stesso motore con tensioni trifase di 400 e 230 V. In alcuni

61



grossi motori si preferisce avviare a stella e poi commutare a triangolo, al fine di limitare le

correnti di spunto, quando non sono utilizzati gli inverter.

Esistono motori asincroni di potenza usualmente inferiore a 3 kW alimentati anche con

tensioni monofase. Tali motori possono essere dotati di ordinari avvolgimenti a due fasi,

dove per alimentare la seconda fase si usa il ritardo di tempo introdotto da un

condensatore. Per potenze piccolissime si usano i motori in cui la seconda fase è un

circuito spazialmente asimmetrico chiuso in corto circuito (motori a "polo shuntato").

I motori asincroni operano normalmente con gli avvolgimenti di rotore chiusi in corto

circuito ma il rotore può essere eseguito in costruzioni differenti.

L’ALTERNATORE

L'alternatore è una macchina elettrica rotante basata sul fenomeno dell'induzione

elettromagnetica, che trasforma energia meccanica in energia elettrica sotto forma di

corrente alternata assumendo la funzione di trasduttore. Svolge in pratica l'azione inversa

rispetto al motore sincrono e presenta la stessa struttura di base.

GENERATORE SINCRONO

La macchina è costituita da una parte cava fissa, chiamata statore, al cui interno ruota una

parte cilindrica calettata sull'albero di rotazione, detta rotore. Sullo statore sono presenti gli

avvolgimenti elettrici su cui vengono indotte le forze elettromotrici che sosterranno la

corrente elettrica prodotta. Il rotore genera il campo magnetico rotante per mezzo di

elettromagneti che sono uno per fase e coppia polari, quindi in caso di alternatore trifase a

due poli si hanno tre elettromagneti, in caso di alternatore trifase a quattro poli si hanno sei

elettromagneti, i quali sono a loro volta opportunamente alimentati oppure vengonoutilizzati dei magneti permanenti i quali non necessitano di alimentazione e in quest'ultimo

caso si hanno solo una coppia polare (Nord e Sud) per ogni coppia di poli statorici. Unica

eccezione si ha nei alternatori trifase o bifase motociclistici, dove gli alternatori non sono

dei veri alternatori trifase o bifase, ma sono tre o due alternatori monofase disposti

equidistanti soggetti a tre o due coppie polari, quindi si hanno tre o due onde sinusali non

sfasate.

La tipologia costruttiva varia notevolmente a seconda del tipo di macchina a cui sono

accoppiati. In caso di alternatori siti in centrali idroelettriche dove la turbina idraulica ruota

a frequenze di centinaia di giri al minuto l'avvolgimento rotorico sporge rispetto all'albero

62



(si parla di macchina ad N "poli salienti"). La velocità dipende dalle caratteristiche della

turbina idraulica ed è inversamente proporzionale al numero dei poli. Alternatori accoppiati

a turbomacchine (turbine a gas o a vapore) hanno anche l'avvolgimento rotorico alloggiato

in cave, ruotano a frequenze maggiori, comparabili con la frequenza di rete, e si

distinguono ulteriormente per tipologia di raffreddamento, ad aria, acqua e ad idrogeno.

Il rendimento di questi alternatori è molto altro, intorno al 0,97 (97%) per scendere fino al

0,85 (85%).

GENERATORE ASINCRONO

Nel caso invece si utilizzi come base un motore asincrono, tale motore viene utilizzato

come generatore soltanto quando le potenze in gioco sono contenute e principalmente

quando è collegato a una rete elettrica prevalente (rete nazionale), che è mantenuta in

tensione da alternatori sincroni. Il motore asincrono per poter funzionare come generatore

preleva energia reattiva dalla rete per magnetizzare il circuito rotorico (essendo i circuiti

rotorici a gabbia di scoiattolo sono privi d'eccitazione), il rotore viene poi avviato tramite

una sorgente energetica esterna (fonte meccanica) portandolo in iper-sincronismo (il

campo magnetico del rotore ruota più velocemente del campo magnetico dello statore),

diventando generatore di energia, in questa condizione mentre eroga potenza attiva versola rete prevalente, assorbe contemporaneamente potenza reattiva per tenere alimentato il

campo magnetico rotante. Secondo alcuni studi il rendimento di tali macchine dovrebbe

essere attestato intorno a 0,6 (60%), per scendere fino al 0,4 (40%) risultando quindi molto

inferiore in confronto al sistema sincrono, ma col vantaggio d'essere robusto e semplice

da gestire, in quanto in caso d'aumento della velocità dell'albero non si ha la sovra-

frequenza (frequenza più elevata), ma fenomeni meccanici all'albero del tipo frenatura.

Per far funzionare un generatore asincrono in isola (senza rete principale esterna in

collegamento, ma a essere il solo generatore), si utilizzano dei condensatori per il ri-

fasamento collegati ai morsetti del motore, che consentono lo scambio dell'energia reattiva

(potenza reattiva) necessaria al motore, permettendone il suo funzionamento come

generatore, il difetto di quest'applicazione è la richiesta obbligata di una sorgente d'energia

alternata per l'avviamento, mentre una volta avviato il sistema va in stabilità e avviene

l'erogazione di potenza attiva.

63



IMPIEGHI PRATICI

Molti sono gli utilizzi degli alternatori. Vengono impiegati in tutte le centrali di produzione di

energia elettrica le quali poi la trasformano in modo da consentirne il trasporto e la

distribuzione per uso industriale e domestico. Il procedimento che alimenta

meccanicamente l'albero dell'alternatore è simile a tutte le tipologie di centrali e si basa su

una turbina o un motore endotermico. Nel primo caso rientrano quelle in grado di sfruttare

l'energia potenziale, come le centrali idroelettriche, o l'energia termica del vapore, come le

termoelettriche, le geotermiche e le termonucleari. In questi grandi alternatori, la tensione

prodotta è nell'ordine di migliaia di volt, solitamente trifase alla frequenza di 50 Hertz (60

negli Stati Uniti e pochi altri paesi).

Grazie alla capacità raggiunta dall'industria elettronica nella miniaturizzazione dei

componenti, l'alternatore ha progressivamente sostituito la dinamo nella produzione di

energia elettrica nelle automobili ed in tutti gli altri veicoli a motore. Esso ha la funzione di

mantenere carica la batteria, necessaria all'avviamento del motore ed alimentare tutte le

funzioni elettriche di bordo. Poiché non esiste un mezzo per immagazzinare energia

elettrica in corrente alternata, è presente un ponte raddrizzatore che ha la funzione di

trasformarla in continua e consentirne così accumulazione nella batteria. Anche nellebiciclette si è imposto l'uso di un piccolo alternatore, in sostituzione della dinamo, per

alimentare i dispositivi di illuminazione.

VANTAGGI TECNICI RISPETTO AD UNA DINAMO

I vantaggi tecnici nella produzione di energia elettrica rispetto alla dinamo sono

sostanzialmente due:

• L'eliminazione di parti striscianti

• La produzione di energia elettrica in corrente

alternata.

L'eliminazione delle spazzole, ovvero i contatti striscianti

che hanno la necessità di un contatto meccanico con il

collettore, riduce la quantità di parti necessaria alla sua

costruzione e la necessità di una revisione periodicadella macchina a causa del consumo delle parti in

64



contatto. Seppure la tecnologia negli anni ha contribuito a migliorare le qualità meccaniche

ed abbassare la resistenza elettrica nei materiali usati, il rendimento totale dalla macchina

risente comunque delle frazioni di energia sottratte nella dinamo, per cui a parte i rari casi

nei quali si renda necessaria un utilizzo in corrente continua e non si possa utilizzare o

risulti poco conveniente l'uso di un raddrizzatore, gli alternatori l'hanno sostituita quasi del

tutto nel compito della produzione di energia elettrica.

65



ELEVAMENTO A POTENZA

Elevare un numero ad una certa potenza significa moltiplicarlo più volte per se stesso.

Questa operazione viene indicata aggiungendo un secondo numero, più piccolo, scritto inalto, a destra del numero principale, come nell'esempio che segue. Per tutti gli esempi a

sinistra, il numero che si vuole elevare a potenza viene definito "BASE" mentre quello

piccolo in alto a destra si chiama "esponente". Quindi si dirà che la prima potenza ha

come base 5 e come esponente 2, la seconda potenza ha come base 2 e come

esponente 3, e così via.

Spesso, quando l'esponente è 2, si usa dire "elevato al quadrato" invece che "elevato alla

seconda"; analogamente, quando l'esponente è 3, si può dire "elevato al cubo" invece che

"elevato alla terza"

Naturalmente ogni potenza ha un suo preciso valore; esso si calcola moltiplicando la baseper se stessa, tante volte quante indica l'esponente (vedere esempi a sinistra)

66



I PREFISSI NELLE UNITÀ DI MISURA

Come conseguenza delle necessità della scienza, ed anche in seguito all'uso comune, nel

tempo si sono sviluppati diversi sistemi di misura, il cui scopo è quello di definire in modo

inequivocabile ed universalmente valido qualunque grandezza che possa essere misurata.

Sono nate così le "unità di misura", e alcune di esse sono di uso così abituale che

nemmeno ci si fa caso. Tutti noi usiamo il metro per misurare una lunghezza, oppure i

secondi per esprimere un tempo.

Spesso le unità di misura risultano troppo grandi o troppo piccole per certi usi; ecco che

allora si ricorre ad unità di misura, sempre derivate da quella fondamentale, ma di valore

notevolmente diverso.

Così, nessuno indicherebbe in metri la distanza fra due città; si usa ovviamente il

chilometro, che come sappiamo equivale a 1000 metri. Analogamente, se abbiamo a che

fare con oggetti molto piccoli, non useremo più il metro, ma ci serviremo dei millimetri,

sapendo che un millimetro è la millesima parte del metro.

Ebbene, le unità più grandi, come il chilometro, vengono detti "multipli" (in questo caso,

multipli del metro), mentre quelle più piccole, come il millimetro, vengono dette

"sottomultipli". In tutti e due i casi, si usa mettere davanti al nome "metro" una parola, che

viene chiamata "prefisso". Il prefisso ci dice quante volte la nuova unità di misura è più

grande o più piccola di quella principale, da cui deriva. Nella tabella che segue troviamo il

valore dei prefissi di uso più comune:

PREFISSO VALORE CORRISPONDENTE POTENZA DI 10

giga 1 miliardo di volte più grande 1 miliardo = 109

mega 1 milione di volte più grande 1 milione = 106

kilo 1000 volte più grande mille = 103

milli 1000 volte più piccolo 1 / mille = 1/103 = 10-3

micro 1 milione di volte più piccolo 1 / 1milione = 1/106 = 10-6

nano 1 miliardo di volte più piccolo 1 / 1miliardo = 1/109 = 10-9

pico 1000 miliardi di volte più piccolo 1 / millemiliardi = 1/1012 = 10-12

Ma vediamo qualche applicazione pratica nel campo dell'elettronica. Da quello che si è

detto derivano le seguenti uguaglianze:

67



1 µF = 1000 nF 1 nF = 1000 pF 0,1 µF = 100 nF 0,1 µF = 100000 pF

1 MΩ = 1000 KΩ 0,1 MΩ = 100 KΩ 0,1 KΩ = 100 Ω 220 Ω = 0,22 KΩ

100 mV = 0,1 V 50 mV = 0,05 V 2200 mV = 2,2 V 1 mV = 1000 µV

68

fondamenti di elettrotecnica

Documents

Transcript of fondamenti di elettrotecnica