Corso base di Elettronica

Introduzione all'elettronica

Per entrare subito in argomento, diamo una definizione generica di elettronica: essa è l'arte di conoscere e applicare tutti quei fenomeni in cui sono coinvolte cariche elettriche infinitesimali chiamate elettroni. L'elettronica ha come oggetto di studio l'elaborazione, la trasformazione e la trasmissione di segnali elettrici di piccola potenza.

Grazie all'impiego di opportuni dispositivi, chiamati "trasduttori", in grado di trasformare i segnali d'uscita in informazioni digitali che a loro volta possono essere elaborate da un computer, l'elettronica può interagire con altre grandezze fisiche. Con un processo di modulazione di ampiezza e/o di frequenza, tali informazioni possono essere trasportate a grandi distanze.

I dispositivi elettronici, all'interno dei quali si trovano i componenti elettronici, hanno il compito di amplificare la corrente, solitamente modificandone alcune caratteristiche (l'ampiezza, la forma, ecc.). Ora, l'elettronica si articola in due "branche", piuttosto indipendenti tra loro: l'elettronica analogica e l'elettronica digitale.

L'elettronica analogica studia la generazione e la trasformazione di segnali elettrici intesi come grandezze in grado di assumere tutti i valori compresi all'interno del loro campo di variabilità (gli amplificatori, i filtri, i raddrizzatori, ecc.). L'elettronica digitale studia quei circuiti in cui i segnali elettrici assumono solo valori compresi in un determinato intervallo all'interno del loro campo di variabilità. I computer si sono sviluppati grazie all'elettronica digitale, la quale attualmente "ricopre" quasi tutti i campi dell'elettronica generale.

Per la comunicazione tra sistemi analogici e sistemi digitali vengono utilizzati i cosiddetti convertitori (A/D e D/A). I convertitori A/D trasformano un segnale analogico in una sequenza di numeri, solitamente sotto forma di cifre binarie, che rappresentano i valori "campionati" del segnale analogico di partenza; i convertitori D/A trasformano i segnali binari, espressi sotto forma di "livelli" alti e bassi, in livelli di tensione corrispondenti.

Le leggi di Ohm

Il fisico tedesco Georg Ohm si accorse, facendo esperimenti con strumenti di sua creazione, che la d.d.p. (la tensione) applicata alle estremità di un conduttore, tenuto a temperatura costante, è direttamente proporzionale all'intensità della corrente circolante nel conduttore: V = R*I. Ciò significa che la resistenza del conduttore rimane costante.

Il conduttore che segue la prima legge di Ohm viene chiamato conduttore ohmico e, riportando l'equazione (lineare) su un diagramma cartesiano (la cosiddetta "caratteristica" V-I), si nota la semiretta uscente dall'origine degli assi, la cui inclinazione (il coefficiente angolare) rappresenta proprio la resistenza R del conduttore. La potenza assorbita da un conduttore ohmico è: P = V*I = R*(I²).

Successivamente, lo stesso Ohm, facendo delle misurazioni sulla resistenza di diversi conduttori, si accorse che:

• La resistenza è direttamente proporzionale alla lunghezza del conduttore.
• La resistenza è inversamente proporzionale all'area della sezione del conduttore.
• La resistenza dipende dal materiale con cui è fatto il conduttore.

La seconda legge di Ohm si esprime in questo modo: R = (rho * L)/S. La lettera greca rho rappresenta il coefficiente di proporzionalità che dipende dal tipo di materiale e si chiama "resistività" del materiale conduttore. La resistività di un materiale varia con la temperatura, non rimane costante. Il reciproco della resistenza si chiama "conduttanza" (G = 1/R) mentre il reciproco della resistività (lambda = 1/rho) si chiama "conduttività" (o conducibilità).

Resistori in serie e in parallelo

In un circuito è possibile sostituire a tutti i resistori presenti un unico resistore, detto resistore equivalente (Req), con le stesse caratteristiche.

Nel collegamento serie (vedi sopra), applicando la legge di Ohm ai singoli resistori avremo: V₁=R₁*I, V₂=R₂*I, V₃=R₃*I. La tensione totale ai capi del circuito è pari alla somma delle "cadute" di tensione parziali sui singoli resistori per cui sarà: V_t=Req*I=V₁+V₂+V₃, da cui Req*I=R₁*I+R₂*I+R₃*I ossia Req=R₁+R₂+R₃.

Nel collegamento in parallelo, nei resistori non circola la stessa corrente (come accade nel collegamento in serie) ma ai loro capi c'è la stessa caduta di tensione: V₁=V₂=V₃. Applichiamo la legge di Ohm e ricaviamo le correnti: I₁=V/R₁, I₂=V/R₂ e I₃=V/R₃. La corrente totale è la somma delle correnti parziali nei vari rami: I_t=I₁+I₂+I₃, cioè I_t=(V/R₁)+(V/R₂)+(V/R₃). La resistenza equivalente è quindi: Req=1/((1/R₁)+(1/R₂)+(1/R₃)).

In un circuito possono essere presenti sia resistori in serie che resistori in parallelo; in tal caso, per ottenere la resistenza equivalente occorre procedere alla risoluzione di piccoli "pezzi" di circuito, sostituendo di volta in volta alle resistenze serie e parallelo le loro resistenze equivalenti, fino ad arrivare all'ultima resistenza che è quella cercata. In linea di massima non ci sono regole generali in grado di determinare la resistenza equivalente di un circuito, ci sono delle regole pratiche che semplificano i calcoli.

Il circuito elettrico e i bipoli

Il concetto di circuito elettrico fa riferimento genericamente a un percorso chiuso in cui c'è circolazione di qualcosa: si parla, ad esempio, di circuito idraulico quando, in una rete di tubi, circola un fluido idraulico e di circuito elettrico quando, in una rete elettrica, circolano gli elettroni.

In un circuito elettrico sono sempre presenti alcuni elementi essenziali: i conduttori e i bipoli (dispositivi a due morsetti). In alcuni casi possono essere presenti elementi a tre morsetti (ad es. le valvole termoioniche), a quattro morsetti o più: si parla di tripoli, quadripoli e così via.

Un circuito elettrico molto semplice può essere formato da un generatore elettrico, due fili conduttori di collegamento e un utilizzatore (ad es. una lampada). La corrente elettrica circola, spinta dalla fem (forza elettromotrice) del generatore, lungo il circuito nel verso convenzionale di scorrimento, ossia uscente dal morsetto positivo della batteria e entrante nel morsetto negativo della batteria stessa (come se si muovessero le cariche positive).

Rispetto ai due poli della batteria, il circuito elettrico può essere suddiviso in due parti: il circuito interno (quello del generatore stesso) e il circuito esterno (formato dai conduttori di collegamento e dall'utilizzatore). Solitamente, quando si parla di circuito elettrico, si fa riferimento al circuito esterno, volendo esaminare il comportamento del generatore elettrico si farà esplicito riferimento anche al circuito interno.

I bipoli sono di due tipi: generatori (di tensione e di corrente) e utilizzatori. Per convenzione, nei generatori i versi della tensione e della corrente sono concordi (la corrente è positiva quando è uscente dal morsetto positivo e entrante nel morsetto negativo) mentre negli utilizzatori i versi della tensione e della corrente sono discordi. Il diagramma cartesiano su cui si riporta la relazione tra corrente e tensione V=f(I) viene chiamato caratteristica esterna oppure volt-amperometrica del bipolo. In base alla forma della caratteristica V-I si possono avere bipoli "lineari", la cui caratteristica è una retta, e bipoli "non lineari", la cui caratteristica è rappresentata da una forma curva.

I principi di Kirchhoff

Un generatore ideale di tensione è un bipolo "attivo" che genera una tensione costante, a prescindere dalla corrente che vi circola. Essendo la tensione costante per qualsiasi variazione di corrente, la caratteristica volt-amperometrica è una retta orizzontale di equazione y=k, in cui k rappresenta il valore della tensione. La potenza generata è P=E*I (E è la fem generata a vuoto).

Un generatore ideale di corrente è un bipolo "attivo" che genera una corrente costante, a prescindere dalla tensione applicata ai suoi morsetti. Essendo la corrente costante per qualsiasi variazione di tensione, la caratteristica volt-amperometrica è una retta verticale di equazione x=k, in cui k è il valore della corrente. La potenza generata è P=E*I₀ (I₀ è la corrente generata).

Chiariamo un punto: i generatori elettrici non sono né generatori ideali di tensione né di corrente, tensione e corrente sono sempre presenti contemporaneamente in una potenza, la suddivisione serve solo ad evidenziare la grandezza elettrica di cui intendiamo occuparci e su cui dobbiamo svolgere dei calcoli.

Gli utilizzatori (motori elettrici, stufe elettriche, lampade, ecc.) sono quei dispositivi che sfruttano l'energia elettrica prodotta dal generatore. Anche i resistori elettrici sono bipoli utilizzatori "passivi", la cui caratteristica V-I, come sappiamo, è una retta uscente dall'origine degli assi, in base alla prima legge di Ohm.

Più bipoli collegati tra loro costituiscono una rete elettrica, formata da nodi (i punti di collegamento dei vari bipoli) e da rami (bipoli che collegano due nodi tra loro). In un circuito possiamo sempre individuare tre elementi: nodi, rami e maglie. Il nodo è una sorta di "crocevia" in cui la corrente deve dividersi; il ramo è un tratto di circuito compreso tra due nodi (in cui circola la stessa corrente); la maglia è un percorso chiuso, che parte da un nodo e arriva allo stesso nodo, costituito da più rami.

Nel caso di una rete elettrica composta da più maglie ci vengono in aiuto, per la sua risoluzione, le due leggi di Kirchhoff (dette anche "princìpi"): una riguarda i nodi e l'altra le maglie. La legge di Kirchhoff ai nodi dice che la somma delle correnti entranti in un nodo è uguale alla somma delle correnti uscenti dal nodo stesso; in pratica, per la legge di conservazione delle cariche elettriche, la carica totale entrante, in un certo intervallo di tempo, in un nodo è uguale alla carica totale uscente dallo stesso nodo. La legge di Kirchhoff alle maglie dice che la somma delle d.d.p. (cioè delle tensioni), in una maglia, è uguale a 0. Cosa vuol dire? È molto semplice: la somma delle tensioni generate dai generatori deve essere uguale alla somma delle tensioni assorbite dagli utilizzatori, per cui la somma algebrica risulta nulla.

Partitori di tensione e di corrente

Il reostato, detto anche potenziometro, è un filo conduttore avvolto su un supporto (di solito cilindrico) isolante; un cursore mobile, alla cui estremità c'è una lamina, fa variare la lunghezza del conduttore e quindi varia la resistenza elettrica, in questo modo si realizza un resistore variabile. Il reostato è un trasduttore di posizione, esso è in grado di trasformare la posizione del cursore in una differenza di potenziale o di corrente.

Nel caso più semplice un partitore di tensione è costituito da due resistori in serie, alimentati da una tensione V, di cui vogliamo rilevare la tensione parziale ai capi di uno di essi. Dalla prima legge di Ohm si ha: Vr₂=R₂*I, la tensione totale è V=(R₁+R₂)*I. Facendo il rapporto si ottiene: Vr₂/V=R₂/(R₁+R₂), da cui Vr₂=V*R₂/(R₁+R₂).

Vediamo ora un partitore di corrente: si tratta di due resistori in parallelo, alimentati da una corrente I, di cui vogliamo rilevare la corrente parziale che scorre in un resistore. Applicando la prima legge di Ohm, avremo: V=Ru*Iu, in cui V=I*R₁*Ru/(R₁+Ru). Uguagliando i secondi membri deve essere: Ru*Iu=I*R₁*Ru/(R₁+Ru). Facendo il rapporto Iu/I=R₁/(R₁+Ru) e cioè Iu=I*R₁/(R₁+Ru).

I condensatori

Spesso nell'elettrotecnica e nell'elettronica si fa ricorso a dispositivi elettrici in grado di accumulare una grande quantità di carica "statica" con piccoli ingombri; tali dispositivi ad alta capacità elettrica sono chiamati condensatori.

Un condensatore è costituito, nel caso più semplice (condensatori piani), da due lamine metalliche, chiamate "armature", separate da un isolante (il dielettrico). L'atto di applicare alle piastre piane del condensatore una differenza di potenziale elettrico viene definito "carica del condensatore", mentre quello di rimuovere le cariche elettriche tramite un conduttore che metta in corto circuito le due piastre si chiama "scarica del condensatore".

Dal punto di vista sperimentale si evidenzia che, mentre il condensatore si carica o si scarica, il rapporto tra i moduli della carica e della differenza di potenziale rimane costante: C=Q/V (C è la capacità del condensatore, Q è la quantità di carica e V è la d.d.p.). Nel S.I. la capacità elettrica si misura in farad=coulomb/volt (il simbolo è F).

L'espressione dell'energia potenziale elettrostatica immagazzinata nel sistema (attraverso l'operazione di carica) si ricava dalla definizione di potenziale elettrico, svolgendo un semplice integrale: L=C*(V²)/2. La capacità di un condensatore dipende:

• Dalla superficie delle armature.
• Dalla distanza tra le due armature.
• Dal tipo di materiale isolante interposto tra le armature.

Le forme costruttive dei condensatori possono essere svariate, la tendenza è quella di ottenere la massima superficie in relazione alle dimensioni e quindi all'ingombro. Per concludere faccio un accenno ai vari impieghi del condensatore: esso può fungere da "filtro" della tensione raddrizzata (ad es. in un alimentatore), serve per il "rifasamento" dei carichi in c.a., nei circuiti oscillanti in telecomunicazioni, nella tecnica radio e così via. Anche quando il condensatore non è presente si possono avere, in alcuni circuiti, degli effetti "capacitivi" indesiderati, di cui dovremo tenere conto nel progetto e/o nei calcoli.

Bipoli in serie e in parallelo

I bipoli, sia generatori che utilizzatori, possono essere collegati in vari modi: in serie, in parallelo e in configurazione mista. Gli elementi possono essere uguali (ad es. 3 resistori in serie) oppure diversi (ad es. un resistore e un condensatore in parallelo).

La configurazione mista si ha nel caso in cui alcuni elementi sono collegati in serie mentre altri in parallelo, nello stesso circuito (ad es. 2 resistori in parallelo, a loro volta in serie ad un condensatore). Per quanto questo tipo di collegamento possa essere complesso, esso è sempre riconducibile alle due connessioni fondamentali, quella in serie e quella in parallelo, attraverso sintesi successive.

Anche i generatori, in particolare, possono essere connessi in serie, in parallelo e in configurazione mista. Nel collegamento serie si connette il polo positivo di un generatore col polo negativo di un altro generatore, in tal caso la fem totale è pari alla somma delle fem dei singoli generatori (la corrente massima è quella che passa nel generatore più piccolo, per cui conviene porre in serie generatori che hanno le stesse caratteristiche in modo da ottenere un utilizzo ottimizzato).

Nel collegamento parallelo tutti i morsetti che hanno la stessa polarità sono collegati insieme (positivo con positivo e negativo con negativo), i generatori devono essere tutti uguali al fine di evitare che uno si scarichi sull'altro. La connessione mista tra generatori di solito viene effettuata per ottenere dei valori prestabiliti di tensione e quindi di potenza, si capisce che tramite questa configurazione è possibile ottenere delle "batterie" di alimentazione con determinate caratteristiche di potenza.

I resistori

Occorre distinguere tra il resistore, che fa riferimento al componente "fisico" circuitale, e la resistenza che rappresenta una proprietà del resistore stesso. Da un punto di vista tecnico si può parlare di resistenza R riferendosi all'elemento fisico, l'importante è comprendere la differenza di terminologia.

Ad ogni modo, come già sappiamo, il resistore è un bipolo passivo la cui resistenza si misura in ohm. Alcuni resistori sono costruiti artificialmente con differenti tecnologie, altri sono presenti ma "indesiderati" e si cerca in tutti i modi di minimizzarli (è sufficiente pensare alla resistenza delle linee di trasporto dell'energia elettrica).

Tralasciamo per ora i resistori indesiderati, quelli costruiti artificialmente possono essere suddivisi in due categorie: i resistori fissi e i resistori variabili. I resistori fissi mantengono approssimativamente costante il loro valore resistivo e vengono usualmente impiegati come "campioni" nei circuiti di misura. Normalmente hanno 4 bande colorate che consentono di stabilire il loro valore ohmico in base a un "codice a colori".

I resistori variabili sono in pratica dei reostati (o potenziometri) che possono essere collegati in vari modi; importante in questo caso è la robustezza "meccanica" del componente, in particolare in relazione al contatto mobile.

Il supporto isolante su cui viene avvolto l'elemento resistivo può essere di forma cilindrica (resistori variabili a filo) ma più spesso è di forma toroidale (a forma di "ciambella"): in quest'ultimo caso la variazione resistiva è regolabile mediante una manopola, ne risulta un utilizzo più comodo. I reostati possono essere a variazione lineare o a variazione logaritmica: la regolazione ohmica di tipo logaritmico è utilizzata soprattutto per regolare il volume di un apparecchio acustico (infatti la sensazione uditiva varia con legge logaritmica), ciò che rende più piacevole la percezione del suono al nostro orecchio.

Infine, preciso che il reostato possiede tre piedini, per cui può essere utilizzato come partitore di tensione o di corrente.