Voltmetro
Il voltmetro è un dispositivo di misurazione utilizzato per misurare la tensione nei circuiti elettrici o nei dispositivi elettronici. Un voltmetro ha una resistenza molto elevata ed è progettato in modo tale che, quando collegato in parallelo a un circuito per misurare la tensione, non assorbe una corrente apprezzabile, quindi la potenza consumata è piccola.
Quando un voltmetro è collegato attraverso un elemento del circuito, forma un ramo parallelo con quell’elemento. Questo ramo parallelo crea un percorso di corrente per una piccola corrente che scorre attraverso il voltmetro. Il voltmetro misura quindi questa corrente e, tramite la legge di Ohm, calcola la tensione attraverso l’elemento del circuito.
Il voltmetro è utilizzato per controllare la tensione di ingresso e di uscita di varie apparecchiature come motori, batterie, apparecchiature mediche, quadri elettrici, macchinari per la plastica e dispositivi elettronici. Aiuta a identificare problemi come connessioni difettose o livelli di tensione irregolari e a garantire che dispositivi come frigoriferi, condizionatori e computer ricevano la tensione corretta, prolungandone la durata e prevenendone i danni.
Principio di funzionamento del voltmetro
Un voltmetro, che è rappresentato dalla lettera V in un cerchio, con due linee ai lati che rappresentano i due punti di misurazione, è composto da alcuni componenti essenziali e, in particolare un galvanometro che è uno degli strumenti per la misurazione della corrente elettrica e viene utilizzato nei circuiti elettrici per conoscere e misurare l’intensità e la direzione della corrente elettrica.
Il galvanometro, inventato dallo scienziato italiano Luigi Galvani nel 1836, funziona sfruttando la forza magnetica che fa girare un ago il cui movimento è direttamente proporzionale all’intensità della corrente elettrica nel circuito. Pertanto, a seconda che la forza magnetica sia maggiore o minore, farà girare di più o di meno l’ago dello strumento di misura.
Nel voltmetro è integrato in serie un resistore che funge da ponte tra il circuito e il galvanometro. Un resistore è un componente elettrico passivo a due terminali che limita la corrente che scorre nei circuiti. La sua proprietà di resistere al flusso di corrente è chiamata resistenza, espressa in ohm (Ω), dal nome del fisico tedesco Georg Simon Ohm.
I due terminali del voltmetro devono essere collegati in parallelo al circuito per il quale è necessario controllare la tensione. Mentre la tensione scorre attraverso il circuito e il voltmetro, il galvanometro rileva la presenza di corrente. Il movimento del galvanometro viene trasformato in un valore leggibile. Per garantire la precisione, i voltmetri sono attentamente calibrati e ciò rende il voltmetro una fonte affidabile di misurazione. A seconda di come sono costruiti i voltmetri sono fondamentalmente classificati in analogici e digitali.
Voltmetro analogico
Il voltmetro analogico utilizza un galvanometro e una resistenza in serie che fa avanzare un puntatore su una scala di una tensione rilevata fornendo una rappresentazione visiva della tensione, consentendo di misurare e monitorare con precisione le differenze di potenziale elettrico.
Il principio di funzionamento del voltmetro analogico si basa sull’interazione tra componenti elettrici e meccanici. Nei voltmetri a bobina mobile, la corrente che passa attraverso la bobina crea un campo magnetico che interagisce con il magnete permanente, determinando la deviazione dell’ago.
Un misuratore a bobina mobile (MCV) è una forma molto comune di voltmetro analogico utilizzato per la sua sensibilità, accuratezza e scala lineare, sebbene risponda solo a segnali di corrente continua. È costituito da una bobina rettangolare avvolta attorno a un nucleo di ferro dolce sospeso nel campo di un magnete permanente. Il segnale misurato viene applicato alla bobina e questo produce un campo magnetico radiale. L’interazione tra questo campo indotto e il campo prodotto dal magnete permanente provoca una coppia, che si traduce nella rotazione della bobina che è misurata collegandovi un puntatore che si muove oltre una scala graduata.
Il voltmetro a ferro mobile (MIV) sfrutta le forze di attrazione e repulsione tra un nucleo di ferro fisso e una paletta di ferro mobile. Quando la corrente scorre attraverso il circuito, la paletta di ferro si allinea in base al campo magnetico che indica la tensione.
I voltmetri elettrostatici (ESV) funzionano in base al principio delle forze elettrostatiche tra piastre cariche. La tensione devia la piastra mobile, creando uno spostamento che può essere calibrato per determinare la tensione.
Il voltmetro analogico offre diversi vantaggi rispetto a quello digitale ed è preferito in applicazioni specifiche. Consente una visualizzazione in tempo reale consentendo il monitoraggio delle variazioni di tensione, è di facile utilizzo, è in grado di misurare un’ampia gamma di tensioni, dai millivolt ai kilovolt, senza bisogno di commutazioni o regolazioni esterne. È inoltre dotato di elevata sensibilità essendo in grado di rilevare piccole variazioni di tensione.
Tuttavia un voltmetro analogico presenta alcune limitazioni infatti rispetto a quello digitale ha una minore precisione in quanto le letture sono soggette a errori causati dalla parallasse e dall’interpretazione umana. Inoltre i voltmetri analogici possono essere influenzati da rumore elettrico e interferenze elettromagnetiche, introducendo potenzialmente imprecisioni nelle misurazioni.
Un’altra limitazione del voltmetro analogico è dovuta al fatto che la regolazione di scala e di intervallo per adattarsi a diversi livelli di tensione può richiedere molto tempo. L’utilizzo del voltmetro analogico va dal campo dell’elettronica ai sistemi di alimentazione essendo in grado di monitorare e misurare i livelli di tensione nei sistemi di distribuzione dell’energia, garantendo un funzionamento efficiente e sicuro.
Nel campo delle telecomunicazioni il voltmetro analogico è utilizzato nelle reti di telecomunicazione per misurare le tensioni nelle linee telefoniche e in altre apparecchiature mentre, in campo automobilistico ha un ruolo nella diagnostica, consentendo di misurare la tensione della batteria, le prestazioni del sistema di carica e i guasti elettrici.
Voltmetro digitale
Un voltmetro digitale (DVM) viene utilizzato per misurare le differenze di potenziale tra due punti specifici in un circuito elettrico e le letture sono mostrate su un display numerico. Il funzionamento di un voltmetro digitale corrisponde a quello di un convertitore analogico-digitale perché trasforma un dato segnale di input in una sequenza di impulsi.
Qualsiasi voltmetro digitale può essere utilizzato per leggere tensione, corrente, impedenza sia in corrente continua che in corrente alternata, a condizione che venga inserito un trasduttore appropriato. La parte principale di un voltmetro digitale è il circuito che converte la tensione analogica misurata in una quantità digitale.
Poiché lo strumento nella sua modalità di base misura solo la corrente continua è necessario un altro componente al suo interno che esegue la conversione CA-CC e quindi gli conferisce la capacità di misurare segnali CA. Dopo la conversione, il valore della tensione viene visualizzato per mezzo di tubi indicatori o un set di diodi luminosi allo stato solido.
I voltmetri digitali differiscono principalmente nella tecnica utilizzata per effettuare la conversione analogico-digitale tra la tensione analogica misurata e la lettura digitale in uscita.
La forma più semplice di voltmetro digitale è quello in cui avviene la conversione tensione-tempo detto digitale a rampa.
Quando un segnale di tensione incognito è applicato ai terminali di ingresso dello strumento, si genera internamente una forma rampa d’onda con pendenza negativa che è confrontata con il segnale di ingresso. Il comparatore confronta il segnale di ingresso con il segnale di rampa.
Se la tensione di ingresso corrisponde alla tensione di rampa, il gate è aperto con l’impulso e dopo che il segnale di rampa raggiunge lo zero, il gate viene chiuso. Il periodo di tempo tra due eventi è chiamato intervallo di tempo di gating che genera la tensione di rampa. La durata del tempo tra l’apertura e la chiusura del gate è monitorata da un contatore elettronico, che produce un display digitale in base al livello del segnale di tensione di ingresso.
Voltmetro a semplice integrazione
Il voltmetro a semplice integrazione detto anche a conversione tensione-frequenza. Il convertitore da tensione a frequenza (VIF) funziona come un sistema di controllo che regola la velocità di generazione degli impulsi in proporzione all’entità della tensione di ingresso.
Non appena è applicata la tensione di ingresso, la tensione di uscita inizia ad aumentare, alimentando il rilevatore di livello. Quando la tensione di uscita raggiunge un certo valore, il rilevatore invia un impulso al gate del generatore di impulsi. L’uscita dell’integratore è confrontata con la tensione di livello fisso della sorgente di riferimento interna, generando un impulso di uscita.
Questo impulso apre il gate che passa l’impulso dall’oscillatore al generatore di impulsi quindi per ogni onda è generato un impulso che consente la determinazione della tensione di ingresso.
Voltmetro digitale ad approssimazioni successive
Il voltmetro digitale ad approssimazioni successive utilizza un amplificatore per scegliere un intervallo richiesto di tensione di ingresso e ridurre al minimo il rumore che può causare distorsione. L’ingresso è quindi inviato al comparatore tramite un circuito sample and hold (abbreviato S&H) che genera un segnale quando riceve il segnale analogico che è ulteriormente inviato a una porta logica digitale detta porta AND il cui output diventa uno se e solo se l’output del comparatore è positivo.
Alla fine, un segnale digitale digitalizzato è generato dai registri di controllo che ci forniscono la tensione richiesta. Utilizzando voltmetri digitali, è possibile eliminare gli errori umani, ottenendo letture esatte e precise.
Essi sono molto versatili e poco costosi, funzionano con una potenza minima, garantiscono maggiore affidabilità, stabilità e sicurezza e per rilevare le letture non è richiesto alcun intervento manuale ed inoltre l’output può essere fornito ai dispositivi di memoria a scopo di archiviazione.
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il 18 Marzo 2025