Nei test delle batterie, lo strumento di misura non deve alterare in modo significativo la grandezza misurata. Un voltmetro richiede quindi una resistenza interna molto elevata in modo da assorbire una corrente trascurabile quando collegato in parallelo. Un amperometro richiede una resistenza interna molto bassa in modo da introdurre una caduta di tensione minima quando collegato in serie, consentendo di misurare la reale erogazione di corrente della batteria.
Il voltmetro ideale si comporta come un circuito aperto, mentre l'amperometro ideale si comporta come un cortocircuito. I loro valori di resistenza pratica sono scelti per ridurre al minimo l'errore di misurazione causato dal carico e dalla tensione di burden.
Perché i voltmetri necessitano di un'elevata resistenza interna
Un voltmetro è collegato in parallelo
Un voltmetro misura la differenza di potenziale tra due punti, quindi viene collegato direttamente ai terminali della batteria o a un altro elemento del circuito.
Poiché i rami in parallelo condividono la stessa tensione, il voltmetro crea un percorso di corrente aggiuntivo. La sua corrente è approssimativamente:
[ I_V = \frac{V}{R_V} ]
dove (V) è la tensione misurata e (R_V) è la resistenza interna del voltmetro.
L'elevata resistenza previene il carico di misura
Se la resistenza del voltmetro fosse bassa, assorbirebbe una corrente significativa dalla batteria. Questa corrente extra cambierebbe le condizioni operative della batteria e potrebbe produrre una lettura della tensione imprecisa.
Un voltmetro ad alta resistenza assorbe solo una corrente molto piccola, quindi misura la tensione della batteria causando un disturbo minimo.
L'elevata resistenza è importante soprattutto per le celle della batteria
Una batteria può essere modellata come una forza elettromotrice ideale (E) in serie con una resistenza interna (r). Quando il voltmetro assorbe corrente, la tensione ai terminali misurata diventa approssimativamente:
[ V_{\text{misurata}} = E - I_V r ]
Una (R_V) maggiore produce una (I_V) minore, il che riduce la caduta di tensione artificiale (I_Vr).
Ciò è particolarmente importante per le celle con una resistenza interna relativamente alta, dove anche una piccola corrente di misura può creare un errore di tensione evidente.
Perché gli amperometri necessitano di una bassa resistenza interna
Un amperometro è collegato in serie
Un amperometro misura la corrente del circuito, quindi deve essere posizionato in serie con il carico o con il circuito di test della batteria.
L'intera corrente del circuito scorre attraverso lo strumento. Qualsiasi resistenza all'interno dell'amperometro diventa quindi parte del circuito.
La bassa resistenza riduce al minimo la tensione di burden
La caduta di tensione introdotta dall'amperometro è:
[ V_A = I R_A ]
dove (I) è la corrente misurata e (R_A) è la resistenza interna dell'amperometro.
Questa caduta è chiamata tensione di burden. Se (R_A) è troppo grande, l'amperometro riduce la tensione disponibile per il carico e modifica la corrente che la batteria erogherebbe altrimenti.
La bassa resistenza preserva la vera corrente operativa
La corrente di una batteria sotto carico dipende dalla resistenza totale del circuito, inclusa la resistenza interna della batteria e tutte le resistenze esterne:
[ I = \frac{E}{R_{\text{carico}} + r + R_A} ]
Mantenere (R_A) molto piccola rende la corrente misurata più vicina alla corrente che fluirebbe senza lo strumento.
Ciò è essenziale quando si valutano le prestazioni di scarica, la capacità di potenza, l'efficienza e la resistenza interna della batteria.
Come la resistenza dello strumento influenza i risultati dei test della batteria
Il voltmetro può alterare la misurazione a circuito aperto
Una misurazione della tensione a circuito aperto ha lo scopo di determinare la forza elettromotrice della batteria essenzialmente senza alcun carico esterno.
Un voltmetro a resistenza finita crea un piccolo carico, quindi il risultato è tecnicamente una misurazione della tensione ai terminali sotto il carico dello strumento piuttosto che una misurazione della F.E.M. perfettamente priva di carico.
L'amperometro può alterare la misurazione della curva di carico
Durante un test di scarica o a corrente impulsiva, l'amperometro aggiunge una piccola resistenza in serie.
Tale resistenza può causare una piccola caduta di tensione extra e ridurre la corrente misurata, specialmente a livelli di corrente elevati. I tester per batterie di precisione specificano quindi la tensione di burden dell'amperometro e la precisione di misurazione.
Gli errori diventano più significativi in determinati test
Gli effetti dello strumento sono più importanti quando:
- La batteria ha un'elevata resistenza interna.
- La corrente di test è elevata.
- La tensione misurata è bassa.
- La precisione richiesta è elevata.
- Il test utilizza misurazioni sensibili a impulsi, impedenza o bassa corrente.
Il sistema di misurazione dovrebbe essere selezionato in relazione alla batteria e alle condizioni di test, non solo in base alla sua gamma nominale di tensione o corrente.
Comprendere i compromessi
La resistenza non può essere considerata l'unica specifica
Un voltmetro ad alta resistenza d'ingresso è auspicabile, ma la precisione dipende anche dalla dispersione d'ingresso, dalla risoluzione, dal rumore, dalla larghezza di banda e dalla protezione d'ingresso.
Allo stesso modo, un amperometro a bassa resistenza è auspicabile, ma sono importanti anche la precisione dello shunt, il comportamento termico, la corrente nominale e la tensione di burden.
Un'altissima resistenza può aumentare la sensibilità al rumore
Le misurazioni di tensione ad alta impedenza possono essere più suscettibili al rumore elettrico, alle correnti di dispersione, alla contaminazione dei cavi e alle interferenze elettromagnetiche.
I buoni sistemi di test delle batterie combinano quindi un'elevata resistenza d'ingresso con schermatura, filtraggio, guardia e cablaggio stabili appropriati.
Una resistenza dell'amperometro molto bassa crea vincoli pratici
Ridurre la resistenza dell'amperometro abbassa la tensione di burden, ma l'elemento sensibile deve comunque resistere alla corrente di misurazione e dissipare il calore associato:
[ P_A = I^2 R_A ]
Ad alte correnti, anche una piccola resistenza può produrre un riscaldamento significativo e un errore di misurazione.
Non confondere la resistenza interna della batteria con la resistenza dello strumento
La resistenza interna della batteria è una proprietà della cella e della sua costruzione. La resistenza dello strumento è un parametro aggiunto del sistema di misurazione.
Test accurati richiedono che il contributo dello strumento sia trascurabile o caratterizzato con precisione, in modo che non venga scambiato per una caratteristica della batteria.
Come applicare questo ai test della batteria
Il comportamento corretto dello strumento dipende dal fatto che il test misuri tensione, corrente o entrambi.
- Se il tuo obiettivo principale è la tensione o la F.E.M.: Usa un voltmetro con una resistenza d'ingresso molto superiore alle resistenze della batteria e del circuito di misurazione, in modo che il suo assorbimento di corrente non carichi la cella.
- Se il tuo obiettivo principale è l'erogazione di corrente: Usa un amperometro o un metodo di rilevamento della corrente con una tensione di burden molto bassa, in modo che il sensore non riduca materialmente la corrente della batteria.
- Se il tuo obiettivo principale è la resistenza interna: Tieni conto di tutte le resistenze di strumenti, cavi, dispositivi e contatti, poiché ognuna può influenzare la risposta in tensione osservata.
- Se il tuo obiettivo principale sono le prestazioni ad alta corrente: Verifica la tensione di burden dell'amperometro, i limiti termici e la calibrazione alla corrente di test effettiva.
- Se il tuo obiettivo principale è il comportamento a bassa corrente o a circuito aperto: Usa un sistema di misurazione della tensione ad alta resistenza d'ingresso e controlla dispersione, rumore e tempo di assestamento.
Scegliere correttamente la resistenza dello strumento garantisce che il sistema di test osservi il comportamento della batteria invece di crearlo.
Tabella riassuntiva:
| Strumento | Collegamento | Resistenza ideale | Perché è importante | Impatto di una resistenza errata |
|---|---|---|---|---|
| Voltmetro | Parallelo | Molto alta (circuito aperto) | Assorbe corrente trascurabile, evita di caricare la batteria | La bassa resistenza causa caduta di tensione e letture imprecise |
| Amperometro | Serie | Molto bassa (cortocircuito) | Tensione di burden minima, preserva la corrente reale | L'alta resistenza riduce la corrente e altera i risultati del test |
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