Le resistenze SHUNT

in teoria e in pratica

 

Salve ragazzi!

Con questo saluto ero solito dare il via ai miei articoli scritti, tanto tempo fa, su una nota rivista di elettronica italiana. Ora devo sgranchirmi i polpastrelli perché sono fuori allenamento, ma spero di riuscirci senza prendere i crampi alle falangette. Detto ciò passo al sodo.

Quando dal tester 1000 Ohm per Volt si passò al voltmetro elettronico tutti gridarono: Evviva oh come è bello misurare una tensione senza che il circuito in esame venga influenzato dal tester. Eh, si, con un’altissima impedenza, come hanno oggi anche i “testerini” cinesi che costano meno di una pizza, dicevo, con un’altissima impedenza, è tanto poca la corrente che “rubiamo” all’apparato sotto misura che la possiamo considerare come nulla agli effetti pratici, senza incorrere in grossolani errori di lettura.

Poi venne l’Ohmetro a scala direttamente proporzionale, si insomma, maggiore era la resistenza e maggiore era la deviazione dell’indice dello strumento, non a rovescio come in passato dove una resistenza alta non faceva muovere lo strumento e una bassa lo portava a fondo scala.

In seguito comparve Il capacimetro, e…  dulcis in fundo, sì, proprio lui: Il milliamperometro anc’esso elettronico. Tutti hanno sempre accettato l’amperometro di un multimetro elettronico come è stato per il voltmetro, uno strumento d’avanguardia, di precisione, ma la lettura della corrente, in quanto a disturbo del circuito e quindi precisione di lettura, eh, questa lascia molto a desiderare, anzi, troppo per i miei gusti. Ora mi par di vedere i vostri occhi increduli incollati al monitor del PC con un ghigno a mio sfavore e con un pensiero che esprime tutto un concetto: ‘Sta volta Maurizio ha preso una stecca, come, parlar male dell’amperometro elettronico?? Bah, non ci credo!

Io  allora soggiungo: meditate, gente, meditate!

Facciamo un esempio: Tester settato a 2 milliampere fondo/scala, lettura 1,780 mA. Quindi voi vi aspettate che cambiando portata su 20 milliampere si venga a perdere un decimale e basta per cui la lettura dovrebbe essere .178 e invece no, non è proprio così, la lettura sarà sicuramente più alta, ora settiamo lo strumento sulla portata 200 mA F/S; ancora una volta noteremo che la corrente è ancora più elevata, il discorso non cambia se misuriamo la corrente con la portata 20 A F/S. Poi ci addentreremo nel perché succede questo, ma la domanda più rapida, che ci viene in mente, è pressappoco così: Cribbio, ma allora quale delle quattro letture è la più corretta? Andiamo avanti, facendo un passo indietro, no non scherzo, per capire il fenomeno per poi porvi rimedio con un po’ di pratica, è necessario tornare al voltmetro il quale per leggere la tensione gli basta prelevarla al circuito semplicemente mettendo in contatto i terminali in parallelo ai punti voluti e zzacchete il gioco è fatto. Si, verissimo, e per la misura amperometrica? Come si fa? Ebbene questa volta siamo costretti a mettere i terminali dello strumento non più in parallelo ai punti ma, in serie a questi, cosa non sempre facilissima, in quanto si è costretti ad interrompere il circuito, ma il rilievo della corrente come avviene? Hi, mi vien da ridere, perché l’amperometro per fare il suo lavoro deve trasformarsi in voltmetro. Boooni voi laggiù, nell’ultimo banco, lo so che state pensando che mi sia bevuto il cervello ma state attenti altrimenti vi metto in castigo dietro alla lavagna. Riprendendo il discorso serio, in realtà anche questa volta per leggere la corrente dobbiamo leggere una tensione, e precisamente quella caduta di tensione che, per non far dispiacere alla legge del famoso George Simon Ohm, è proporzionale alla corrente. Dal momento che questa resistenza, che d’ora in poi verrà chiamata shunt, è nota per definizione, se leggiamo una tensione V volt su una resistenza da R Ohm avremo per la legge già citata che V/R = I dove I =  intensità di corrente ( Ampere). Adesso però facciamo un vero passo in avanti prendendo confidenza con i valori resistivi di questa shunt. Una volta stabilito che la sensibilità di un convertitore analogico digitale ha un valore ormai standardizzato sui 200 millivolt, indipendentemente dalla corrente da misurare, per portare la lettura a fondo scala di un tester digitale da 3 digit più 1 ( in realtà la lettura non potrà mai arrivare a 2 ma a 1,999, a 2 si è già in regime di over range; per dirlo in italiano: fuori portata) dovremo calcolare la shunt in modo adeguato.

Per un fondo scala di 20 A avremo 0,2 volt/20 ampere = shunt 0,01 Ohm

Per un fondo scala di 2 A avremo 0,2 volt/2 ampere = shunt 0,1 Ohm

Per un fondo scala di 200 mA avremo 0,2 volt/0,2 ampere = shunt 1 Ohm

Per un fondo scala di 20 mA avremo 0,2 volt/0,02 ampere = shunt 10 Ohm

Per un fondo scala di 2 mA avremo 0,2 volt/0,002 ampere = shunt 100 Ohm

Adesso è facile capire che se misuriamo una corrente di 1,5 milliampere inserendo in serie la shunt da 100 Ohm del tester F/S andiamo a rubare 200 millivolt che a questi livelli cominciano ad essere significativi e la perdita di inserzione  non solo è tale da falsare sciaguratamente la precisione di lettura, ma addirittura tale da pregiudicare, in qualche caso, il buon funzionamento del circuito in esame.

A 20 A F/S invece 200 millivolt di caduta non dicono nulla e quindi più la shunt è bassa più la precisione sarà elevata.

   

FINE DELLE NOIOSE  TEORIE E INIZIO DEL DIVERTIMENTO

Dopo la teoria ecco che arriva la pratica, fase più divertente, però senza teoria si rischia di fare le cose a pappagallo senza rendersi conto del perché occorre fare così, così e così.

Bene, supponiamo di voler costruire un multimetro molto preciso sfruttando economici display alfanumerici e microprocessori a costi alla portata di tutte le tasche. Su Grix se ne vedono parecchi, anche molto validi, belli e facili da realizzare, tutti però usano delle shunt mai inferiori a 0,11 Ohm, per lo meno io non ne ho mai visti con shunt amperometrica più bassa. Ora sto studiando su un amplificatore operazionale differenziale da utilizzare in modo da poter usare delle shunt attorno a 0,01 Ohm al fine di avere perdite di inserzione così basse da poter leggere anche i microamperes. Se questo articoletto vi è sembrato interessante, mi ripropongo di farvi partecipi dei miei risultati. Bene, ora vediamo come costruire una di queste shunt che oltre a servire per le misure amperometriche possono servire anche come resistenze di disaccoppiamento sui transistor di potenza collegati in parallelo o collegate in parallelo a milliamperometri per estenderne la portata. O anche per tanti altri casi dove, magari, nello schema c’è una resistenza che ha un valore strano e non si riesce a trovarla per i negozi di elettronica oppure in quei casi dove la debole richiesta fa lievitare il prezzo a cifre esorbitanti. A me per esempio, hanno chiesto 16 Euro per una resistenza da 3,2 Ohm 12 watt!

A questo scopo mi sono premunito di macchina fotografica perché per la pratica, un’immagine è più esplicativa di mille parole e comunque, sempre all’insegna del “questo l’ho fatto io spendendo poco” , da buon pensionato con pochi soldi come uno studente.

Vediamo come si possono ottenere in modo casereccio delle shunt ad altissima precisione ed alto wattaggio.

 

Partiamo da ciò che serve:

Non è indispensabile avere entrambe le resistenze delle Foto 2 e 3, ovviamente ne basta una. Le foto indicano solo da dove prelevare il filo resistivo. Più sotto le varie fasi di costruzione.

clicca per ingrandire Foto 1 Un morsetto per circuiti stampati	clicca per ingrandire Foto 2 Una resistenza di nikel cromo presa da un asciuga capelli rotto
clicca per ingrandire Foto 3 Una resistenza di nikel cromo presa da un asciuga capelli rotto	clicca per ingrandire Foto 4 Scomporre il morsetto privandolo delle parti non necessarie
clicca per ingrandire Foto 5 Come si presenta il morsetto dopo aver tolto il superfluo	clicca per ingrandire Foto 6 Morsetto lavorato (retro) per accogliere il filo di nikel-cromo

Immaginando chiare, le foto da 1 a 5, passo alla descrizione della lavorazione per arrivare ad ottenere ciò che raffigura la foto 6.

Smerigliare con una mola la parte posteriore del morsetto fino a mettere a nudo le parti metalliche dei serrafili.

Praticare un foro con punta da 1,5 o 2 mm al centro dei serrafili laterali in quanto i serrafili centrali verranno utilizzati per ospitare i terminali di collegamento. Ora decidiamo quale valore resistivo dovrà avere la nostra opera misurando un campione di filo (io ho usato quello dell’asciuga capelli) e tagliandolo a dimensione almeno doppia di quanto serve. Infilare un terminale dello spezzone nel primo dei due morsetti laterali e l’altro nell’ultimo.

Stringere in modo deciso entrambi i morsetti, indipendentemente dalla misura che ne verrà fuori.

Stringere due terminali nei morsetti centrali.

Saldare, vedi Foto 7, con una pallina di stagno il retro dei morsetti laterali con il morsetto relativamente affiancato ospitante il filo terminale della nostra shunt in modo da collegare l’insaldabilissimo filo di nikel cromo ai fili di uscita.

 

Dimenticavo di dirvi che tutto questo Ambaradam è dovuto unicamente al fatto che il filo di nikel cromo non si può saldare a stagno , altrimenti sarebbe stato tutto più semplice avvolgere il nikel cromo su una resistenza di valore elevatissimo sfruttandone i terminali come punto di saldatura.

 

Il momento della taratura è giunto

Prendere un buon tester e posizionarlo sul massimo di risoluzione in Ohm, di solito 200 F/S.

Collegare i terminali della shunt al tester magari con bocche di coccodrillo al fine di lasciarci le mani libere di operare sulla taratura nel momento in cui si vuol monitorare l’andamento delle operazioni.

Allentare uno dei due morsetti laterali leggermente, quel tanto che basta a poter far scorrere avanti e indietro il filo resistivo, operazione da farsi con pinzettine robuste e grande pazienza, ma mi raccomando, deve essere molto frizionato al fine di una corretta taratura.

Ora non resta altro che far scorrere questo filo avanti e indietro fino a leggere sul tester il valore cercato, infine ristringere energicamente il morsetto di scorrimento e verificare se questa operazione ha modificato la lettura del tester. Se tutto va bene abbiamo finito, diversamente occorre ripetere l’operazione appena descritta.

Chiaramente tranciare l’eccesso di filo a fior di morsetto perché se ci si punge si avverte un male boia!

 

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     Foto 7    Risultato finale

 

Appendice per i più esigenti

Già e chi vuol ottenere una precisione ancor superiore?

Cosa in certi casi necessaria quando il soft di taratura di un microprocessore ha sbalzi notevoli fra uno scatto e l’altro. La precisione della shunt fa così il resto!

Basta collegare ai terminali della shunt un trimmer di valore elevato, io nella foto ho usato un trimmer da 500 Ohm. Rapido calcolo: shunt = 0,5 Ohm in parallelo a trimmer da 500 Ohm

Formulescion : 0,5 x 500 / (0,5+500) = 0,4995005. Arrivando quindi ad agire sul trimmer fino a portarlo a 5

Ohm facendola corta otterremo una shunt da 0,4545454.

La corrente che attraverserà il trimmer sarà in questo caso un decimo di quella che scorre nella shunt, quindi cercare di non esagerare con valori troppo piccoli per non compromettere la stabilità della parte resistiva dovuta al trimmer. Con valori di 50 Ohm su 0,5 Ohm, la corrente sul trimmer diventerà appena 1/100, quindi

Anche se il circuito totale dovesse far fluire una corrente da 1 Ampere, sul trimmer ci sarebbero solo 10 mA per cui sempre secondo Giorgio Simone : 0,01 x 0,01 x 50 = 0.5 watt e il trimmerino dovrebbe farcela.

Non mi rendo responsabile per bruciature accidentali del trimmer, questa appendice vuole solo essere un tutorial aperto a tutte le discussioni.

 

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     Foto 8 La shunt completa di trimmar per microtatratura

A conclusione di questo articolo, come sempre, chiedo perdono ai lettori per :

Le foto non troppo professionali (ombre, riflessi del sole, nitidezza, sfocature)

Le allegre scemenze che di tanto in tanto compaiono qua e là.

La prolissità in dettagli e particolari che possono far sorridere gli espertissimi.

A mia giustificazione dirò che l’ho fatto per i “novices”

Un caloroso abbraccione a tutti.

 

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