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In questo articolo parleremo delle basi dell’elettronica, della terminologia basilare e spiegheremo il funzionamento di un circuito. Una vera introduzione all’elettronica per principianti!

Comprendere le basi dell’elettronica può rivelarsi un compito arduo per alcuni, mentre altri trovano molto semplice afferrare i concetti correlati a corrente elettrica e voltaggi. Questa guida vi condurrà verso i concetti di base dell’elettronica uno per volta, e ci assicureremo che capirete ognuno degli argomenti senza annoiarvi. Dunque, cominciamo!

Terminologia di base

Prima di tuffarci nella terminologia basilare dovete comprendere cosa siano le cariche. Esistono due tipi di cariche: positive e negative. Le cariche uguali si respingono, mentre quelle diverse si attraggono. Ogni atomo ha sia cariche positive che negative. Le cariche positive si trovano all’interno del nucleo e vengono chiamate protoni, mentre le cariche negative, chiamate elettroni, orbitano intorno al nucleo.

Tali elettroni possono stare all’interno di un’orbita o muoversi come elettroni liberi/mobili, in base al tipo di elemento al quale appartengono. Osservando la tavola periodica possiamo notare che gli elementi vengono suddivisi in tre categorie; metalli, semiconduttori e non-metalli. Gli elementi metallici hanno elettroni mobili, motivo per cui sono definiti conduttori, mentre i non metalli sono strettamente legati ai propri elettroni, rendendoli cattivi conduttori.

La corrente

Dunque, cos’è la corrente? È il tasso di scorrimento delle cariche, il che significa che se contate il numero di cariche che attraversano un punto all’interno di un cavo in un secondo, otterrete la quantità di corrente che lo attraversa.

In che direzione scorre la corrente in un circuito? Il percorso in cui scorrono gli elettroni viene definito corrente elettrica, mentre quella convenzionale scorre nella direzione opposta. Potremmo dire che è un flusso di cariche positive. All’interno di un circuito, il percorso della corrente convenzionale viaggia dal polo positivo della batteria a quello negativo, come mostrato nel seguente diagramma.

Il voltaggio

La differenza di carica tra due punti è definita voltaggio. Per meglio comprendere il concetto, considerate l’analogia all’energia. Se una palla è in cima a una collina dispone di un alto tasso di energia potenziale, rispetto a ciò che ne resta quando rotola in basso e raggiunge il fondo. Nel percorso, la palla perde potenza in cambio del lavoro svolto. Analogamente, gli elettroni subiscono un cambiamento di energia muovendosi all’interno di un circuito. La differenza di energia tra i due punti è definito voltaggio.

La legge di Ohm è relativa al voltaggio e alla corrente in un circuito Ecco cosa dice:

V=IR

“V” è il voltaggio in Volts, “I” è la corrente in Ampere ed “R” è la resistenza in Ohm.

Esamineremo i resistori nel dettaglio nella prossima sezione. Il seguente circuito dimostra come si misura la tensione tra due punti attraverso un resistore.

La potenza

Generalmente, la potenza viene definita come il tasso di trasferimento di energia. Sappiamo che l’energia non può essere distrutta ma può essere trasformata in una forma o in un’altra. Ad esempio, l’energia potenziale è convertita in energia cinetica quando una pietra rotola giù da una collina. Considerare quanto velocemente avviene questo trasferimento è un altro metodo per misurare la potenza.

In elettronica, l’energia elettrica è convertita in altre forme di energia e viceversa. Ad esempio quando una batteria fornisce potenza, energia chimica viene convertita in energia elettrica. Analogamente, una lampadina si accende grazie alla conversione di energia elettrica in energia luminosa.

Tirando le somme, possiamo attestare che la potenza elettrica è il tasso di trasferimento di energia elettrica. In termini matematici, la potenza è il prodotto di voltaggio e corrente e viene rappresentato come segue:

P=VI

“P” è la potenza in Watt, “V” è il voltaggio in Volt e “I” è la corrente in Ampere.

Tenete in considerazione il circuito mostrato precedentemente. Possiamo calcolare la potenza consumata dal carico utilizzando l’equazione sopra menzionata. Bisogna conoscere i valori di voltaggio e di corrente. Per calcolare la corrente, useremo la legge di Ohm. Riformulando l’equazione della legge di Ohm, otteniamo:

I= V/R

= 9V/10Ω =0.9 A

Ora possiamo calcolare la potenza dissipata dal resistore è:

P=VI

            =(9)(0.9)

P=8.1 W

La potenza dissipata dal resistore di 10Ω risulta essere 8,1 Watt che, in questo circuito, è il tasso di trasferimento dell’energia elettrica.

CA e CC

Probabilmente avrete sentito che esistono due tipologie di circuiti: CA e CC. Ma in cosa consistono? E in cosa si differenziano?

CA sta per “Corrente Alternata”, mentre CC significa “Corrente Continua”. Nei circuiti CC, la corrente scorre in una singola direzione, mentre nel caso dei circuiti CA, la corrente cambia direzione in determinati intervalli. Ciò consente ad entrambi i tipi di circuiti di performare in diverse modalità e di adattarsi a varie applicazioni.

CC viene generalmente utilizzata in circuiti analogici e logici, mentre CA è presente nei nostri sistemi elettrici casalinghi. Dato che la corrente alternata cambia periodicamente la sua direzione, è rappresentata con un’onda sinusoidale con una particolare frequenza ed ampiezza. La corrente continua, al contrario, è descritta come una linea dritta in quanto non subisce variazioni.

Elementi comuni nei circuiti

Ora che avete compreso il vocabolario di base dell’elettronica, analizziamo alcuni elementi comuni dei circuiti e vediamo come funzionano.

Resistori

Un resistore è un elemento essenziale di un circuito elettronico. Offre una resistenza al flusso della corrente governato dalla legge di Ohm. Tale forza opposta permette a un designer di settare un determinato valore nel circuito in base alla necessità. Per esempio, lavorando su un circuito che necessita di meno corrente, bisogna introdurre un alto valore di resistenza nel circuito.

Rappresentazioni schematiche dei simboli

Tipologie di resistori

Esistono resistori di diverse tipologie. Possono essere categorizzati in SMD (Surface Mount Device) e resistori assiali. I resistori SMD vengono comunemente utilizzati nei PCB e nella realizzazione di equipaggiamento elettronico. Vengono differenziati tramite un codice numerico che rappresenta le dimensioni di un resistore SMD.

Alcuni dei più comuni esempi di resistori SMD sono lo 0603 e lo 0805. 0603 si traduce in una lunghezza di 0,06 pollici, e una larghezza di 0,03 pollici. Allo stesso modo, il codice 0805 si traduce in una lunghezza di 0,08 pollici e una larghezza di 0,05 pollici. Le dimensioni delle resistenze SMD si convertono in diverse valutazioni di potenza, per esempio, il resistore 0603 ha una valutazione di 0,10 Watt, mentre quello di 0805 ha una valutazione di 0,125 Watt. Altri codici includono 0201, 0402, 1206, 1210, 1812, 2010 e 2512

Invece, i resistori di forma cilindrica che  vengono comunemente utilizzati da studenti e appassionati sono i resistori assiali. Sono categorizzati in base al colore, e ciò permette di determinarne il valore di resistenza senza doverlo misurare con un multimetro. I resistori assiali sono disponibili in diversi tipi, tra cui quelli con rivestimento in carbonio, in metallo, a filo tondo e a base di carbonio.

Codice di colori

Al primo sguardo, lo schema di codici dei colori può sembrare complicato da comprendere, ma addentrandovi nel mondo dell’elettronica lo troverete di semplice interpretazione. Ogni resistore assiale mostra quattro strisce di colore: tre di esse indicano il valore di resistenza, mentre la quarta indica il valore di tolleranza del resistore e può essere di colore argentato o dorato.

Leggendo il valore di resistenza, tenete sempre la striscia di tolleranza alla vostra destra e “leggete” i colori partendo da sinistra. La seguente tabella mostra il valore rappresentato da ciascun colore.

Considerate un resistore con strisce marroni, nere, arancioni e dorate. Per decodificare il suo valore di resistenza possiamo attenerci alla tabella precedente. Il marrone corrisponde al primo valore (1), il nero si traduce in 0, che è il secondo valore. Ciò rappresenta un 10. Di seguito, l’arancione rappresenta il moltiplicatore (103) e il dorato rappresenta il 5% di tolleranza. Ciò crea una resistenza di un valore di 10kΩ col 5% di tolleranza.

Resistori – connessioni in parallelo contro connessioni seriali

È possibile connettere due o più resistori in due metodi principali. Si ha una connessione seriale  quando si connettono due resistori l’uno dietro l’altro, mentre si ha una connessione parallela quando si connette la fine di un’estremità di un resistore alla fine di un altro resistore. Il seguente diagramma di un circuito mostra come è possibile connettere due resistori seriali o in parallelo.

In una connessione in parallelo, la corrente I, proveniente da una batteria, è divisa in due correnti, I1 e I2. Dopo aver attraversato i resistori in parallelo, queste correnti separate si riuniscono nuovamente per formare la corrente I, che si dirige nuovamente verso la batteria. Il voltaggio tra i due resistori non subisce cambiamenti. Dunque, dovreste ricordare che tra connessioni in parallelo di resistori la corrente viene divisa, mentre il voltaggio rimane invariato.

Il valore totale della resistenza nel caso di resistori in parallelo viene calcolato utilizzando la seguente formula:

R (complessiva) = (1/R1+1/R2)^-1

Nella figura precedente abbiamo due resistori R1 ed R2 dai valori, rispettivamente, di 10kΩ ed 1kΩ. Dinque, è possibile calcolare la resistenza complessiva come segue:

R(complessiva)= (1/110k+1/11k)^-1

R(complessiva)= ((10k+1k)/10k)^-1

R(complessiva)= (11k/10k)^-1

R(complessiva)= (10k/11k)

R(complessiva)= 0.9kΩ

Invece, in una connessione seriale, la corrente che scorre attraverso i resistori rimane la stessa, mentre il voltaggio si divide. Il valore totale della resistenza nella connessione seriale può essere calcolato semplicemente aggiungendo i valori individuali di resistenza.

R(complessiva)=R1+R2

Utilizzando i valori presenti nel diagramma del circuito, possiamo calcolare la resistenza complessiva come segue:

R(complessiva)=10k+1k

R(complessiva)=11kΩ

Condensatori

Il secondo tra gli elementi più comuni nei circuiti elettronici è il condensatore. Si tratta di un dispositivo di immagazzinamento di carica composto da due placche di metallo separate da uno strato dielettrico. Le placche metalliche sono caricate inversamente ed hanno la capacità di immagazzinare cariche. I condensatori sono comunemente usati per scopi di accoppiamento e disaccoppiamento, come riserve di carica o per fornire un effetto di attenuazione alle forme d’onda di tensione.

Vi sono due tipologie di condensatori: polarizzati e non polarizzati. Bisogna connettere i condensatori polarizzati in modo che completino la propria polarità. Una delle “gambe” è caratterizzata dal simbolo “+”, mentre l’altra mostra il simbolo “-”. La gamba positiva di un condensatore deve sempre connettersi al polo positivo di un alimentatore elettrico. La gamba negativa deve connettersi, di conseguenza, a quello negativo.

Condensatori – connessioni in parallelo contro connessioni seriali

Come nel caso dei resistori, è possibile connettere condensatori sia in serie che in parallelo, un base alle necessità. La capacità di condensazione è misurata in Farads, ed il valore totale varia in entrambe le configurazioni. Diamo un’occhiata individualmente ad ogni modalità.

Per calcolare la capacità di condensazione di condensatori in parallelo basta sommare i valori.

C(complessiva)=C1+C2

C(complessiva)=100μF+10μF

C(complessiva)=110μF

Invece, supponiamo che i condensatori siano connessi in maniera seriale. In quel caso, il valore della loro capacità di condensazione viene inizialmente invertito, poi sommato, poi scambiato nuovamente, proprio come nel caso della resistenza dei resistori in parallelo.

C(complessiva)= (1/100μF+1/10μF)^-1

C(complessiva)= (11μ/100μ)^-1

C(complessiva)= 100/11

C(complessiva)=9.09uF

Through-hole e SMD

I componenti elettronici vengono in differenti tipologie, e le principali sono through-hole e SMD. È possibile fissare le parti through-hole (in buco) nelle breadboard e protoboard dato che dispongono di gambe conduttive che possono essere facilmente inserite. Questo è il motivo per cui vengono definiti dispositivi through-hole (in buco). Invece, i dispositivi a montaggio in superficie (SMD – Surface Mount Devices) sono soliti essere di dimensioni molto ridotte rispetto ai dispositivi through-hole, ed occupano solo un lato del circuito stampato. Dunque, utilizzando componenti SMD, potrete disegnare progetti di dimensioni inferiori.

Cos’è un circuito?

Quando si uniscono multipli componenti elettronici e si connettono ad un alimentazione CA o CC si ottiene un circuito.  Questo non significa che potete iniziare a collegare elementi del circuito senza conoscerne la potenza, perché in questo modo, probabilmente vi ritroverete con in situazione esplosiva. Formalmente parlando, un circuito è una combinazione di componenti elettronici collegati da fili conduttori, dove può scorrere una corrente elettrica.

Costruire un circuito

Cosa serve per costruire un semplice circuito elettronico? Serve una laurea in ingegneria? Certo che no! È possibile imparare a costruire un semplice circuito in pochi semplici passi.

Per prima cosa, dovete decidere quale fonte di energia userete. Dopo di che, è necessario selezionare i componenti del circuito e capire come unirli.

Per esempio, costruiamo un circuito amplificatore che utilizza un circuito integrato LM386, insieme ad alcune resistenze e condensatori. Una batteria da 9V CC alimenta il circuito. L’uscita viene ricevuta dall’altoparlante, che è una versione amplificata del segnale d’ingresso. I condensatori in questo circuito sono usati per una varietà di scopi. In alcuni punti bloccano la corrente continua e accoppiano il segnale dall’ingresso all’uscita, in altri forniscono corrente supplementare per evitare che la tensione di alimentazione si abbassi, mantenendo i 9V regolari sotto carichi pesanti, mentre in alcuni casi sono usati per filtrare frequenze indesiderate.

Elettronica per principianti – Come iniziare

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