Teoremi elettronici per professionisti della progettazione e riparazione

La ruota della legge di Ohm e altri importanti teoremi sui circuiti sono discussi per l'uso pratico.

Praticamente tutti gli ascensori e le scale mobili contemporanei sono alimentati da motori elettrici, sia in corrente continua che in corrente alternata, in combinazione con un azionamento a frequenza variabile (VFD). Oltre all'energia che fa girare questi motori, questi sono controllati anche da dispositivi elettrici automatici o manuali. I problemi che sorgono in combinazione con ascensori e scale mobili di solito coinvolgono il motore o l'apparato di controllo e sono più spesso elettrici piuttosto che strettamente meccanici.

obiettivi formativi

Dopo aver letto questo articolo, dovresti aver appreso:
♦ Legge di Ohm e derivati ​​mostrati nella ruota delle leggi di Ohm
Equazioni di potenza mostrate nella ruota delle leggi di Ohm
Utilizzo delle funzioni del multimetro
Cat 1-4 posizioni
♦ In che modo i tecnici elettronici utilizzano le leggi di corrente e tensione di Kirchhoff

Per lavorare con questi motori o sistemi di controllo, progettisti e tecnici di riparazione devono avere una conoscenza accurata dell'attività di tutti quegli elettroni, e in quali condizioni e in quale direzione stanno fluendo. Se i parametri misurati non sono in accordo con i requisiti del circuito, l'ascensore o la scala mobile non funzioneranno in modo affidabile, se non del tutto. L'acquisizione di una conoscenza dei teoremi e delle leggi elettriche di base aiuterà un progettista di ascensori o scale mobili o un tecnico di riparazione a dare un senso a ciò.

Le equazioni elettriche usate più di frequente sono facilmente accessibili facendo riferimento alla Ruota della Legge di Ohm. Questo elegante grafico contiene tutte le equazioni della legge di Ohm, che mettono in relazione volt, ampere e ohm. Inoltre, vengono mostrate le equazioni di potenza relative a volt, ampere e watt con le derivate, in modo da poter accedere facilmente a molte equazioni che sono molto importanti quando si esegue la progettazione elettronica di nuovi sistemi o la risoluzione dei problemi di un'unità guasta esistente.

La legge di Ohm, nella sua formulazione più fondamentale, è E = IXR, dove E = volt (forza elettromotrice), I = ampere (intensità) e R = resistenza. Il multimetro comune può essere configurato semplicemente ruotando la manopola grande al centro della maggior parte dei modelli per misurare uno qualsiasi di questi tre valori. Per misurare i volt, ruotare prima la manopola per mettere lo strumento in modalità volt CA o CC. Alcuni modelli hanno un'altra manopola, che serve per impostare la portata. Se non si ha una buona idea della tensione approssimativa da misurare, iniziare da una gamma più alta e ridurre per evitare il sovraccarico. I misuratori più esclusivi hanno una funzione di auto-range. La sonda nera (nella maggior parte dei modelli) è collegata a "comune" e la sonda rossa è collegata a "volt". Per effettuare una misura di tensione, le due sonde sono collegate su entrambi i lati di the source o caricare. (Una misurazione della tensione viene sempre eseguita mettendo lo strumento in parallelo con the source, qualsiasi dispositivo o carico in serie.) Poiché la misurazione, per sua natura, viene effettuata su un circuito sotto tensione, è necessario prestare molta attenzione per evitare di entrare in contatto con un filo sotto tensione, un terminale o una parte sotto tensione della sonda se la tensione è superiore a 12 V. Inoltre, come spiegato di seguito, è necessario rispettare il rating di categoria (Cat) dello strumento.

Le misurazioni della resistenza vengono eseguite su componenti o circuiti spenti. La cosa migliore è scollegare l'apparecchiatura (se collegata tramite cavo a una presa) o disattivare il circuito disinserendo l'interruttore corretto sulla targa, quindi verificando con una luce di prova (se cablata). Inoltre, c'è il problema della tensione immagazzinata all'interno dell'apparecchiatura che è spenta. I condensatori, in particolare (ma non solo) gli elettrolitici ad alta capacità che fanno parte dell'alimentatore, sono in grado di immagazzinare una quantità letale di energia elettrica molto tempo dopo che l'apparecchiatura è stata spenta. Inoltre, potrebbe esserci una capacità distribuita in tutta l'apparecchiatura, quindi per effettuare misurazioni di resistenza, tutta la carica deve essere scaricata dall'apparecchiatura prima che possa essere considerata non attiva. È meglio farlo collegando resistori di potenza a bassa resistenza o altri carichi idonei in punti appropriati, invece di mettere a terra i terminali sotto tensione con un cacciavite collegato allo chassis.

Come le misurazioni di tensione, le misurazioni di resistenza vengono eseguite posizionando le sonde in parallelo con il dispositivo o il circuito in esame. Se un componente fa parte di un circuito, la lettura della resistenza potrebbe non essere valida a causa della resistenza parallela che potrebbe essere presente. Per questo motivo, potrebbe essere necessario estrarre temporaneamente il componente dal circuito, il che comporta una successiva risaldatura. (Per isolare un componente a due fili, è necessario tagliare solo uno dei cavi.)

Molti multimetri, in modalità resistenza, funzionano anche come tester di continuità. Per accedere a questa modalità, ruotare l'interruttore di funzione nella posizione che presenta l'icona di una nota musicale. Se una certa resistenza, in genere 30 ohm, non viene letta, lo strumento emetterà un segnale acustico, quindi è possibile eseguire misurazioni rapide del tracciamento del segnale e controlli per cortocircuiti senza guardare la lettura. La modalità di continuità è spesso utilizzata dai tecnici elettronici.

Contrariamente alle misurazioni di tensione e resistenza, le letture di corrente vengono effettuate ponendo il misuratore in serie con il componente o il circuito attraverso il quale deve essere misurata la corrente. Questa misurazione viene, necessariamente, eseguita con l'apparecchiatura accesa. Un multimetro è uno strumento ad alta impedenza nella modalità volt e uno strumento a bassa impedenza nella modalità corrente. Quando viene eseguita una misurazione di tensione, solo una quantità molto piccola di corrente scorre attraverso il contatore, ed è per questo che un multimetro è in grado di leggere tensioni elevate. Inoltre, un voltmetro ad alta impedenza non caricherà in modo apprezzabile il circuito. Nella lettura della corrente, essendo in serie al componente o al carico, l'intera quantità di corrente scorre attraverso il contatore, che, poiché gli offre poca resistenza, ha un effetto minimo sul funzionamento del circuito. Tuttavia, se leggi le specifiche del tuo multimetro, vedrai che è specificata la quantità massima di corrente consentita in una misurazione di corrente. Per la maggior parte dei misuratori, è nell'intervallo dei milliampere. Più corrente brucerà almeno un cavo della sonda.

La maggior parte dei multimetri ha un fusibile in linea interno che protegge la modalità corrente, quindi se un sovraccarico non è troppo grande, il fusibile può proteggere lo strumento. Quantità di corrente molto maggiori possono essere misurate utilizzando un amperometro a pinza da elettricista o un oscilloscopio dotato di sonda di corrente. Entrambi hanno bobine di rilevamento magnetico che misurano il campo magnetico che circonda un conduttore sotto tensione, quindi le letture ad alta corrente possono essere prese su un filo sotto tensione e isolato senza tagliare o disturbare in altro modo il circuito.

L'equazione della legge di Ohm citata sopra è la versione più fondamentale. Da esso si ricava R = E/I e I = E/R. Le formule possono essere trovate guardando la Ruota della Legge di Ohm, dove in tutti i casi il cerchio interno è equivalente a un segno di uguale. Inoltre, la ruota della legge di Ohm rappresenta la legge di potenza P = EXI, dove P = potenza in watt. Sono inoltre indicati i derivati:

• P = E2 / R
• P = RX I2
• I = Radice quadrata di (P/R)
• io = P/E
• E = P/I
• E = Radice quadrata di (PXR)

Oltre a controllare la portata in modo che il misuratore non venga danneggiato da sovratensioni o sovracorrenti, è necessario osservare la classificazione Cat. La strumentazione come un oscilloscopio, un analizzatore di spettro o un multimetro è classificata per le tensioni per ciascuno dei quattro ambienti Cat. Le categorie, a cominciare dalla Cat 4, che è la più aggressiva, sono:

• Cat 4, che si riferisce all'origine dell'installazione o alle misurazioni del livello di utilità sui dispositivi primari di protezione da sovracorrente e sulle unità di controllo dell'ondulazione
• La Cat 3, che consiste in reti di distribuzione generalmente collegate in modo permanente all'alimentazione delle utenze, si trova più frequentemente negli impianti industriali.
• Cat 2, che consiste in conduttori principali locali, si trova tipicamente nelle prese dei circuiti derivati ​​interni. Gli utensili portatili e gli elettrodomestici rientrano in questa categoria. Per i tecnici e gli ingegneri elettronici che lavorano al banco in un laboratorio, è una categoria comune.
• Cat 1, la più tollerante delle quattro categorie, è costituita da circuiti a livello di segnale in apparecchiature elettroniche (spesso alimentate a batteria).

Le apparecchiature di misurazione elettroniche di solito hanno valori nominali di tensione per gli ambienti Cat appropriati all'unità stampati su uno dei suoi pannelli. Ad esempio, un oscilloscopio agli ingressi analogici può essere contrassegnato con "Maximum 300 Vrms Cat 2" e questo limite deve essere scrupolosamente osservato.

Come abbiamo visto, ci sono molte equazioni elettroniche a cui è possibile accedere a colpo d'occhio dalla Ruota della Legge di Ohm. Una quantità all'interno del cerchio interno dovrebbe essere posta sul lato sinistro del segno di uguale, e diventa l'incognita, che deve essere trovata mediante calcolo. Ciò comporta una modesta quantità di macinazione di numeri, facilmente eseguita per mezzo di una calcolatrice manuale.

Nella risoluzione dei problemi delle apparecchiature elettriche esistenti, la E che appare a sinistra come sconosciuta non viene utilizzata di frequente, poiché la tensione di rete è un dato e le tensioni di alimentazione, in caso di incertezza, possono essere rilevate dallo schema. Nella progettazione di nuove apparecchiature, è una storia diversa. Questa forma dell'equazione potrebbe essere utile se si desidera progettare un alimentatore che possa essere collegato a un carico predeterminato per raggiungere la quantità di corrente desiderata. Ricordiamo a questo proposito la definizione di volt: l'unità di forza elettromotrice che guiderà 1 amp di corrente attraverso 1 ohm di resistenza. È importante rendersi conto che questa metrica non è correlata al tempo. È in corso, esiste a un livello che si riferisce alla corrente e alla resistenza. Anche in un circuito CA in cui fluttua a una velocità costante o variabile, è quello che è, istante per istante.

Muovendosi in senso orario attorno alla ruota della legge di Ohm, la prossima variabile da incontrare è la resistenza, espressa in ohm. Dato che conosci la tensione e puoi misurare la corrente, la resistenza può essere facilmente calcolata se non vuoi rompere o spegnere un circuito per misurarla.

Proseguendo in senso orario attorno alla ruota della legge di Ohm, la prossima quantità che può essere fatta stare da sola sul lato sinistro di un'equazione elettronica è I, che denota la corrente in ampere (o, molto spesso, milliampere, millesimi di ampere). Originariamente stava per intensità, che è il modo in cui i primi ricercatori visualizzavano la corrente. L'equazione che può essere risolta per I è una forma molto utile della legge di Ohm, perché la corrente negli ampere spesso non è nota. Può essere calcolato dall'equazione e il risultato può essere confrontato con il valore misurato. Ciò fornirà preziose informazioni su ciò che sta accadendo in un circuito, uno stadio e l'attrezzatura generale.

Le equazioni di potenza, pur non parlando in senso stretto della Legge di Ohm, sono solitamente incluse nella Ruota della Legge di Ohm, e questo aggiunge immensamente alla sua funzionalità. Tecnici e ingegneri elettronici esperti imparano rapidamente a pensare in termini di potenza, e poi molte cose diventano chiare.

La tensione esiste ai terminali di una fonte di alimentazione e viene applicata a un carico. C'è tensione ma non corrente su un interruttore quando è spento. La corrente scorre attraverso un carico e varia con il carico. Tensione ai terminali di the source è costante, indipendentemente dal carico, a meno che the source è una sorgente ad alta impedenza (relativa al carico), nel qual caso la tensione diminuisce perché è sovraccaricata. Questo è ciò che accade quando un generatore a benzina rallenta quando un carico pesante va in linea.

La corrente scorre attraverso un carico. È costante ovunque in un circuito a meno che non ci siano rami paralleli o perdite a terra. In ogni caso, per costruire un percorso rettilineo può essere aggiunta corrente che scorre attraverso percorsi alternativi. Quindi, la corrente è la stessa in tutto il circuito, compreso all'interno the source e caricare.

La potenza è il prodotto di corrente e tensione. La corrente scorre da the source attraverso il carico e ritorna tramite un secondo conduttore a the source. Il potere è visualizzato in modo più appropriato come trasferito da the source al carico, dove viene dissipato. Può essere rappresentato accuratamente per mezzo di uno schema unifilare.

Tra le equazioni contenute nel Falun di Ohm, una delle più importanti è P = I2 X R. La potenza è generata in the source e trasferito al carico(i) dove viene dissipato. Non ritorna the source. La quantità di potenza, in watt, consumata dal carico è uguale al quadrato della quantità di corrente in ampere che scorre attraverso il carico, moltiplicata per la resistenza del carico in ohm. (Questo si riferisce a un circuito CC. La stessa dinamica si applica in un circuito CA, ma può diventare un po' più complesso a causa della presenza di reattanza capacitiva e induttiva, che vengono aggiunte vettorialmente alla resistenza per comprendere l'impedenza. Come la resistenza, questo è misurato in ohm ed è conforme alla legge di Ohm, ma è derivato in modo diverso.)

Poiché I è al quadrato, è un fattore molto più importante nella composizione di P rispetto a R. Gli ingegneri elettronici parlano di dissipazione di energia I2R. Per fare un semplice esempio, quando la corrente passa attraverso un resistore, la stessa corrente che entra nel resistore lo lascia. Quella quantità di corrente è la stessa in tutto il circuito. Dal momento che il potere non torna a the source, deve andare da qualche altra parte. Il fatto è che o rimane nel carico in cui è immagazzinato, è immagazzinato temporaneamente all'esterno del carico come in un campo magnetico, oppure viene dissipato sotto forma di calore e/o informazioni. Il processo di risoluzione dei problemi è notevolmente facilitato dall'analisi della potenza generata the source e chiedendo dove va.

La forma generica dell'equazione di potenza è P = EXI o, come si dice di solito, "volt per ampere uguali watt". Corrente e tensione sono fattori ugualmente significativi nel determinare la potenza. Se la potenza rimane costante, tensione e corrente hanno una relazione inversa. L'analogia con l'acqua a volte è utile; se identifichiamo la corrente che scorre attraverso un conduttore elettrico all'acqua che scorre attraverso un tubo, si possono fare alcuni confronti. La tensione è come la pressione dell'acqua e la corrente è come il flusso d'acqua, che può essere espresso in galloni al minuto. La resistenza elettrica, come quando si riduce l'area della sezione trasversale di un conduttore, è come sostituire un tubo dell'acqua di diametro inferiore. Un condensatore è come una membrana di gomma posta nel tubo dell'acqua in modo che possano essere trasmesse oscillazioni o singoli impulsi, ma viene bloccato un flusso continuo. Un'induttanza è equivalente a un vaso di espansione a T sulla linea principale. Un sistema idrico che simulerà il comportamento di un diodo; transistor; o, in linea di principio, si può costruire qualsiasi tipo di circuito integrato o microchip.

Ci sono numerosi teoremi elettronici non illustrati nella Ruota della Legge di Ohm. Due teoremi circuitali molto importanti sono le leggi della corrente e della tensione di Kirchhoff. Furono enunciati per la prima volta dal teorico tedesco Gustav Kirchhoff nel 1847, generalizzando la legge di Ohm e ponendo le basi per il lavoro di James Clerk Maxwell, che formulò la sua teoria classica della radiazione elettrodinamica nel 1865, dimostrando che l'elettricità, il magnetismo e la luce sono manifestazioni della stesso fenomeno.

La legge di Kirchhoff (KCL) afferma che la quantità di corrente che entra in qualsiasi nodo del circuito è uguale alla quantità di corrente che esce da quel nodo. Se stabiliamo che la corrente che esce da un nodo è equivalente alla quantità negativa della corrente che entra in esso, la somma di quelle correnti è zero. La legge sulla tensione di Kirchhoff è strettamente correlata. Afferma che, in un circuito elettrico, la somma delle tensioni attorno a qualsiasi anello chiuso è zero.

Queste leggi, nel loro insieme, forniscono al tecnico elettronico uno strumento utile per anticipare le corrette letture di tensione e corrente che appariranno in vari punti di un circuito elettrico.

Il teorema di Thévenin fu affermato da Hermann Von Helmholtz nel 1853 e riformulato nella sua forma attuale 30 anni dopo da Léon Charles Thévenin. È ampiamente utilizzato per semplificare circuiti complessi con più sorgenti di tensione e corrente. Anche se questi circuiti sono conformi alla legge di Ohm, in molti casi i calcoli sono molto difficili seguendo questa strada convenzionale. Il teorema di Thévenin, insieme alla sua stretta relazione, il teorema di Norton, ci permette di considerare il circuito come una scatola nera che può essere convertita in un circuito equivalente a Thévenin.

L'unico problema, quindi, è costruire un circuito equivalente valido che fornisca i numeri corretti. Questo circuito equivalente conterrà due dispositivi virtuali in serie, una resistenza rappresentata come Rth e una tensione rappresentata come Vth. Innanzitutto, sostituisci tutte le fonti di tensione e corrente con le loro resistenze interne. Una sorgente di tensione ideale sarà sostituita da un cortocircuito. Una fonte di corrente ideale sarà sostituita da un circuito aperto. (Questo metodo funziona solo quando the sources sono indipendenti l'uno dall'altro.)

Un altro teorema molto significativo per fornire informazioni sul funzionamento interno dei circuiti elettrici è il teorema della massima potenza. Afferma che la potenza massima viene trasferita da una sorgente a un carico solo quando le loro impedenze sono uguali. All'inizio sembra un po' controintuitivo. Dopotutto, come è possibile trasferire la massima potenza a un carico con un'impedenza superiore a zero? La spiegazione è semplice. Il modo per comprendere il teorema della potenza massima è tenere presente che la tensione moltiplicata per la corrente è uguale alla potenza. Quindi, se l'impedenza è maggiore nel carico, il flusso di corrente viene ridotto, con conseguente minore trasferimento di potenza. Allo stesso modo, se l'impedenza è inferiore nel carico, la tensione da the source è ridotto, perché ne apparirà una parte maggiore the source impedenza. Ciò si traduce anche in un trasferimento di potenza ridotto. Il massimo trasferimento di potenza si verificherebbe quando entrambe le impedenze fossero uguali a zero, ma, ovviamente, questo sarebbe un cortocircuito catastrofico.

L'adattamento di impedenza è molto importante in molte applicazioni, da tracce molto piccole su un circuito a enormi linee elettriche ad alta tensione.

Oltre al massimo trasferimento di potenza, nella trasmissione dei dati, l'adattamento dell'impedenza della sorgente, del carico e della linea di trasmissione come il cavo coassiale o il doppino intrecciato non schermato Cat 5e è essenziale per evitare riflessi di dati dannosi dal carico o il cablaggio the source. Questi riflessi di direzione inversa provocano collisioni di dati, causando il danneggiamento del segnale e la perdita di informazioni.

La cosa strana dell'adattamento di impedenza è la questione dell'impedenza caratteristica della linea di trasmissione. Il cavo coassiale e altri tipi di cavo dati sono fabbricati per avere un'impedenza caratteristica specifica, espressa in ohm. Questa impedenza caratteristica è costante per il tipo di cavo, indipendentemente dalla lunghezza della tratta. Non può essere misurato a un'estremità della linea con un ohmmetro, indipendentemente dal fatto che i due connettori all'estremità più lontana siano collegati insieme.

L'impedenza caratteristica funziona allo stesso modo perché è composta da capacità parallela e induttanza in serie, entrambe le quali aumentano con la lunghezza. Queste metriche si oppongono l'una all'altra, creando un'impedenza caratteristica costante indipendente dalla lunghezza.

Il layout del cablaggio è fondamentale per evitare disallineamenti di impedenza quando si progettano il cablaggio del telaio e le tracce dei circuiti stampati, specialmente alle alte frequenze. Per questo motivo, quando si effettuano riparazioni, è essenziale rispettare le lunghezze dei conduttori originali, il tipo di cavo e il percorso in modo da non disturbare le impedenze caratteristiche incorporate nel progetto originale.

Sebbene fuori tema per un articolo sui teoremi elettronici, va detto che in qualsiasi modifica al cablaggio effettuata durante una riparazione, osservare i valori di temperatura dei conduttori originali, specialmente quando passano vicino a una potenziale fonte di calore, come un grande trasformatore o termosifone.

Domande sul rinforzo dell'apprendimento

Utilizzare le seguenti domande di rinforzo dell'apprendimento per studiare per l'esame di valutazione della formazione continua disponibile online su www.elevatorbooks.com oa pag. 187 di questo fascicolo.
♦ Quali sono i due tipi di leggi mostrati nella Ruota della Legge di Ohm?
♦ Perché gli ingegneri elettronici parlano di perdita I2R?
♦ Quali sono le quattro posizioni del gatto?
♦ In che modo le leggi di Kirchhoff aiutano i tecnici elettronici a verificare il corretto funzionamento di un circuito?
♦ Perché le impedenze di sorgente, di linea e di carico dovrebbero corrispondere in un circuito dati digitale?