Buongiorno, ho montato con successo il kit MAGNETIC TESTER, che ha funzionato subito alla "prima accensione". Le allego un paio di foto. Non ho utilizzato la mascherina di alluminio per il contenitore plastico perché ho voluto rendere un po' più esplicativo il frontalino dello strumento (in considerazione della mia scarsa memoria...).
Con l'occasione, come semplice appassionato di elettronica, curioso di comprendere anche il funzionamento teorico dei circuiti, Le invio quale modestissimo contributo e con lo spirito divulgativo ispirato alla mitica rivista NE, un file dove ho riassunto le spiegazioni tecniche tratte dai suoi video e vecchi appunti personali.
Eventualmente, se lo riterrà d'interesse, dietro la sua supervisione, potrà liberamente integrarlo nella documentazione a corredo del kit.
Un cordiale saluto e un sentito ringraziamento per la sua encomiabile, costante e straordinaria opera di divulgazione scientifica.
Giancarlo Marzocchi
MAGNETIC TESTER
Quando si deve verificare l'integrità di una bobina o di un avvolgimento di un trasformatore, sospettando una perdita di isolamento o il cortocircuito tra due o più spire del componente, un tester per la misura delle resistenze si rivela inefficace, anche predisponendolo nella portata ohmica più bassa, limitandosi esso a fornire solo una prova di continuità del circuito induttivo.
Per ottenere un responso sicuro ed affidabile, sempre che si conoscano le caratteristiche tecniche nominali del componente in esame, è necessario utilizzare strumenti più specifici e costosi, quali impedenzimetri, analizzatori RLC o sofisticati Q-meter, che consentono la misurazione precisa del fattore di merito "Q" (Quality factor), un valore che fornisce al tecnico la possibilità di stabilire con quale grado di precisione l'induttore approssima l'induttanza ideale.
Il fattore "Q" è un parametro adimensionale legato allo smorzamento di un'oscillazione. Stima l'efficienza di un induttore espressa come rapporto tra energia immagazzinata ed energia dispersa per ciclo. Il tasso di dissipazione di energia è in relazione alla costante di tempo della fase decrescente dell'oscillazione. Valori elevati di "Q" si hanno quando la componente induttiva è molto grande rispetto alle componenti resistiva e capacitiva, significando che le oscillazioni si smorzano lentamente.
Un metodo alternativo di misurazione, semplice e pratico, ma ugualmente accurato, è quello del "Ringing Test" o "collaudo oscillatorio". Il principio di funzionamento si basa sul fatto che nessun tipo di avvolgimento è un'induttanza "pura", ma al contrario è una sorta di circuito auto oscillante poiché, in minore o maggiore misura (fattore di merito "Q" variabile), risuona con le capacità parassite presenti tra spira e spira e tra strato e strato dell'avvolgimento. Più elevato è il numero di spire, più è marcata la capacità parassita totale (questa si riscontra negli induttori, ma è presente anche nei trasformatori tra gli avvolgimenti separati primario-secondario o secondario-secondario).
La prova consiste nell'eccitare l'avvolgimento in esame con degli impulsi periodici strettissimi e rapidi osservandone il comportamento, cioè il tipo di oscillazione smorzata prodotta.
Collegato ad un oscilloscopio, un avvolgimento in ottimo stato darà luogo ad una traccia caratteristica riportante un segnale autosmorzante con un picco di risonanza e una "coda di oscillazione" decrescente molto prolungata, che evidenzierà un fattore di merito "Q" alto (basse perdite).
Invece in un avvolgimento danneggiato con scarso isolamento o con delle spire in cortocircuito (difetti che dissipano parte dell'energia per l’effetto Joule, il deterioramento delle proprietà dielettriche dei materiali isolanti, le isteresi magnetiche e le correnti parassite), il segnale visualizzato si presenterà irregolare e molto più breve con uno smorzamento che si troncherà velocemente o sarà addirittura assente a causa del ridotto valore del fattore "Q".
Il Magnetic Tester sfrutta proprio questa tensione alternata in decadimento, che può avere una durata di diversi cicli ("rings") prima di raggiungere gradualmente il minimo valore, per contare le sinusoidi generate tra un impulso di eccitazione ed un altro: più alto è il loro numero, maggiore è il fattore di merito "Q" dell'elemento induttivo e tanti più diodi LED della scala di misura si illuminano.
Lo strumento può essere utilizzato per controllare avvolgimenti e bobine su nuclei magnetici (ferrite o laminati di acciaio al silicio) a frequenza di rete, a bassa frequenza e a bassa/alta tensione, che abbiano un valore di induttanza di almeno 0,3 millihenry. Se il valore è inferiore, si potrebbero accendere meno LED e in alcuni casi spegnersi anche il primo.
DESCRIZIONE SCHEMA ELETTRICO
Il generatore di impulsi
Le tre porte logiche CMOS Inverter U1.4, U1.5, U1.6 (CD4069) formano un oscillatore RC in grado di generare dei brevi impulsi rettangolari con fronti di salita molto ripidi della durata variabile da 0,8ms a 3ms dipendentemente dai valori di C1, C13 (inseribile mediante il jumper J4) e del trimmer PR1.
Per aumentare la frequenza (f=1/T) si riducono i valori della resistenza e della capacita, viceversa per abbassarla si aumentano i valori RC.
Lo stadio eccitatore
Crea le oscillazioni smorzate dovute all'induttanza sotto test con il concorso di un condensatore selezionabile tra i valori di C6, C11, C12, mediante il jumper J1-J2, così da poter regolare in modo ottimale la frequenza di accordo del circuito oscillante nel quale il condensatore e l’induttanza si scambiano l’energia accumulata con una frequenza che può essere calcolata con la seguente formula: f = 1 / (2pi * LC)
Questa condizione di funzionamento è particolarmente interessante: essendo la corrente di carica e di scarica del condensatore la stessa di quella che percorre l'induttanza, la tensione fornita serve solo a dare il primo impulso, dopodiché, se sopprimessimo la connessione con il generatore, la corrente alternata continuerebbe ad oscillare ininterrottamente tra induttanza e capacità con un periodo uguale a quello proprio del circuito. In tale sistema l'energia fornita da un primo impulso, si trasformerebbe indefinitivamente, ad ogni oscillazione, da potenziale a cinetica e viceversa.
Il condensatore si scarica sulla bobina e la corrente circolante crea un campo elettromagnetico in quest'ultima; l'energia del campo elettrico del condensatore diminuisce fino ad annullarsi, mentre l'energia magnetica aumenta fino a raggiungere il valore massimo. La corrente dovrebbe annullarsi subito, ma per la legge di Lenz, nasce una forza elettromotrice che si oppone alla diminuzione del flusso magnetico. Ne deriva che la corrente circola ancora e ricarica ora le armature del condensatore, però con segni elettrici contrari a quelli precedenti, finché la corrente si annulla: tutta l'energia del campo magnetico si è trasferita nel campo elettrico del condensatore, che ha una differenza di potenziale di segno opposto a quella precedente. A questo punto il condensatore comincia a scaricarsi di nuovo sulla bobina, poi si ricarica, si scarica e così via. In un circuito LC ideale, cioè con resistenza nulla, non si hanno perdite di energia e pertanto il ciclo continua con una corrente oscillante permanente di ampiezza e frequenza costanti.
Tuttavia nel circuito reale, a causa delle inevitabili resistenze passive, che di volta in volta vanno ad assorbire una parte dell'energia somministrata, un tale fenomeno oscillatorio assume gradualmente un andamento sinusoidale smorzato. Le oscillazioni, che seguono l'impulso iniziale, divengono sempre meno ampie, ad ogni scambio di energia fra condensatore e induttanza, esaurendosi in breve tempo proprio a causa dell'energia dissipata.
Lo smorzamento aumenta fino ad un certo valore di resistenza detta critica, in corrispondenza della quale il circuito perde la possibilità di oscillare: fenomeno detto aperiodico. Per consentire alle oscillazioni di mantenersi nel tempo occorre compensare le perdite di energia dall'esterno con il generatore di impulsi.
Detto fenomeno è perfettamente analogo dal punto di vista energetico al comportamento che avrebbe un qualsiasi sistema meccanico oscillante, come ad esempio un pendolo, una molla o un'altalena, qualora nessuna resistenza passiva ne ostacolasse le oscillazioni. Infatti se lasciamo libera un'altalena, una volta avviata, questa oscillerà da sola in un continuo scambiarsi di energia cinetica ed energia potenziale, con l'unico elemento dissipatore di energia costituito dalla resistenza dell'aria sommata all'attrito dei giunti di aggancio al dispositivo di spinta. Per tenere l'altalena in oscillazione basterà imprimerle di tanto in tanto una spinta sufficiente a reintegrare l'energia persa. La durata di ciascuna oscillazione, molto o poco ampia, sarà sempre la stessa: fenomeno identico a quello che Galileo Galilei osservò a proposito del pendolo.
Ogni qualvolta viene emesso un impulso dal generatore, che porta in conduzione il transistor Q1, si ha anche l'azzeramento del registro a scorrimento e lo spegnimento di tutti i LED collegati sulle uscite poiché, mediante C8, viene inviato un impulso positivo anche ai terminali di Reset (pin 6 e 14) di U2.
L'interfaccia digitale e il display a led
I due transistor NPN collegati in modo da garantire un alto guadagno di corrente formano con la porta logica invertente U1.3 il segnale digitale da inviare agli ingressi di clock del registro a scorrimento U2 configurato a otto bit e utilizzato in modo particolare come monitor a led.
Questo circuito integrato della famiglia CMOS CD4015 comprende un doppio shift register unidirezionale a 4 bit, di tipo SIPO (Serial Input-Parallel Output) con ingressi Data, Clock e Reset indipendenti.
I registri a scorrimento sono formati da una catena di flip-flop connessi in cascata, in cui l'uscita di ogni flip-flop (cella di memoria a 1 bit) è connessa all'ingresso di quello successivo, così da permettere la traslazione dei bit immagazzinati in sincronia con un impulso di abilitazione di clock.
I dati vengono quindi caricati in forma seriale ad ogni fronte positivo dell’impulso di clock applicato simultaneamente sui pin 9 (CLKA) e 1 (CLKB) di U2. Ciò attiva lo scorrimento interno dei bit memorizzati, da una cella a quella immediatamente successiva, mentre il primo flip-flop della catena assume lo stato logico alto “1”, presente sull'ingresso DATA/B direttamente collegato alla tensione di alimentazione VDD. Contemporaneamente sulle uscite delle otto celle di memoria interconnesse, in cui l'uscita Q4B del primo registro a 4 bit è direttamente connessa all'ingresso DATA/A del secondo registro a 4 bit, sono resi disponibili tutti i bit immagazzinati.
Quelli di valore logico alto determinano l’accensione dei LED collegati sulle corrispondenti uscite digitali.
Il Magnetic Tester può essere utilizzato anche per prove IN-CIRCUIT dei componenti induttivi, generando impulsi di circa 600mV, sotto la soglia tipica di polarizzazione dei semiconduttori.
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