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Paolo Aliverti

Elettronica trucchi e segreti

130 idee per risolvere ogni problema

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Elettronicatrucchi e segreti

130 idee per risolvere ogni problema

Paolo Aliverti

Elettronica trucchi e segreti | 130 idee per risolvere ogni problema

Autore: Paolo Aliverti

Collana:

Publisher: Marco AleottiProgetto grafico: Roberta VenturieriImmagine di copertina: Paolo AlivertiLogo design: Giampiero Carella

© 2020 Edizioni Lswr* – Tutti i diritti riservati

ISBN: 978-88-6895-814-5

I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e adattamento totale o parziale con qualsiasi mezzo (compresi i microfilm e le copie fotostatiche), sono riservati per tutti i Paesi. Le fotocopie per uso personale del lettore possono essere effet-tuate nei limiti del 15% di ciascun volume dietro pagamento alla SIAE del compenso previsto dall’art. 68, commi 4 e 5, della legge 22 aprile 1941 n. 633.Le fotocopie effettuate per finalità di carattere professionale, economico o commerciale o comunque per uso diverso da quello per-sonale possono essere effettuate a seguito di specifica autorizzazione rilasciata da CLEARedi, Centro Licenze e Autorizzazioni per le Riproduzioni Editoriali, Corso di Porta Romana 108, 20122 Milano, e-mail [email protected] e sito web www.clearedi.org.La presente pubblicazione contiene le opinioni dell’autore e ha lo scopo di fornire informazioni precise e accurate. L’elaborazione dei testi, anche se curata con scrupolosa attenzione, non può comportare specifiche responsabilità in capo all’autore e/o all’editore per eventuali errori o inesattezze.L’Editore ha compiuto ogni sforzo per ottenere e citare le fonti esatte delle illustrazioni. Qualora in qualche caso non fosse riuscito a reperire gli aventi diritto è a disposizione per rimediare a eventuali involontarie omissioni o errori nei riferimenti citati.Tutti i marchi registrati citati appartengono ai legittimi proprietari.All rights reserved. This translation published under license.

Via G. Spadolini, 720141 Milano (MI)Tel. 02 881841www.edizionilswr.it

Printed in Italy

Finito di stampare nel mese di febbraio 2020 presso “Rotomail Italia” S.p.A., Vignate (MI)

(*) Edizioni Lswr è un marchio di La Tribuna Srl. La Tribuna Srl fa parte di .

Sommario

InTRoduzIonE ....................................................................................................... 9Il canale video ............................................................................................................................ 10Avvertenze ...................................................................................................................................12

1. LE nozIonI dI bASE ......................................................................................15Corrente elettrica ...................................................................................................................... 16Tensione ....................................................................................................................................... 18Legge di ohm ............................................................................................................................. 19Collegamenti in serie e in parallelo ........................................................................................21Generatori ...................................................................................................................................24La metafora acquatica ..............................................................................................................27Potenza ........................................................................................................................................28Leggi di Kirchhoff ...................................................................................................................... 30Teoremi di Thevenin e norton ................................................................................................35Funzioni matematiche e sinusoidi .........................................................................................37Tempi e frequenze .................................................................................................................... 40Fasori ............................................................................................................................................ 41operazioni sui fasori .................................................................................................................45Legge di ohm in corrente alternata ..................................................................................... 48Condensatori in corrente alternata ...................................................................................... 49Induttori in corrente alternata ................................................................................................52Impedenza...................................................................................................................................54Potenza nei circuiti in corrente alternata ............................................................................56decibel .........................................................................................................................................57

2. CoMPonEnTI PASSIVI ................................................................................591. Leggere il valore di una resistenza.....................................................................................592. Leggere il valore di una resistenza a montaggio superficiale (SMd) ......................633. Misurare una resistenza ..................................................................................................... 664. Collegare resistenze in serie e in parallelo ....................................................................695. Calcolare la resistenza equivalente di una rete qualsiasi ...........................................756. Calcolare la resistenza equivalente di una rete a stella (o a triangolo) ..................78

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7. Collegare batterie in serie e in parallelo ......................................................................... 808. Scegliere un alimentatore ...................................................................................................839. Risolvere un semplice circuito elettronico......................................................................8710. dimensionare un partitore di tensione ......................................................................... 8911. dimensionare un partitore di corrente ...........................................................................9512. Calcolare la resistenza per accendere un LEd a 12 V ............................................... 9613. usare un generatore reale ................................................................................................ 9814. dimensionare la potenza per una resistenza ............................................................ 10015. Risolvere una rete complessa con Kirchhoff ..............................................................10316. Risolvere un circuito con Thevenin ...............................................................................10617. Riconoscere un condensatore e leggere il suo valore ................................................11018. Combinare più condensatori ........................................................................................... 11719. Riconoscere un induttore e leggere il suo valore....................................................... 12220. Combinare più induttori ................................................................................................. 12521. Calcolare il tempo di carica di un condensatore ....................................................... 12722. Calcolare il tempo di carica di un induttore ............................................................... 13223. Calcolare la reattanza di un condensatore ................................................................ 13524. Calcolare la reattanza di un induttore ......................................................................... 13725. Risolvere circuiti con impedenze generiche .............................................................. 13826. Impedenze in serie ........................................................................................................... 14727. Impedenze in parallelo ..................................................................................................... 15128. Partitore capacitivo ........................................................................................................... 15129. Accendere un LEd a 230 V ............................................................................................ 15330. Calcolare correttamente la potenza in un circuito generico .................................15431. Come funziona un trasformatore .................................................................................. 15732. Combinare gli avvolgimenti di un trasformatore ......................................................16033. Pulsanti, interruttori e deviatori .....................................................................................16134. deviare la corrente da una parte all’altra ...................................................................16435. Luce con doppio deviatore ............................................................................................. 16536. Scegliere e utilizzare un relè .......................................................................................... 16537. Relè ad autoritenuta .........................................................................................................16838. Lampeggiatore con relè ..................................................................................................17039. Motori................................................................................................................................... 17140. Controllare un motore con un deviatore .................................................................... 18241. Controllare il moto di un motore con un relè ............................................................. 18342. Aggiungere un fine corsa a un motore .......................................................................18443. Microfoni ............................................................................................................................18444. Altoparlanti, buzzer e piezo ..........................................................................................18645. Varistori ..............................................................................................................................18946. Fusibili ..................................................................................................................................191

3. dIodI, TRAnSISToR E SEMIConduTToRI......................................... 19347. Come funziona un diodo? ...............................................................................................19448. Scegliere un diodo............................................................................................................19949. usare un diodo .................................................................................................................204

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Sommario

50. usare un diodo zener .....................................................................................................20651. Testare un diodo ...............................................................................................................20952. Come funziona un ponte a diodi ....................................................................................21153. Proteggere gli ingressi di alimentazione ..................................................................... 21354. Proteggere gli ingressi digitali con dei diodi ..............................................................21455. Accendere un LEd ............................................................................................................ 21756. Porte logiche con i diodi ................................................................................................22057. Il transistor bipolare ........................................................................................................ 22258. Scegliere un transistor bipolare ................................................................................... 22759. Verificare un transistor .................................................................................................. 23360. utilizzare un transistor come switch ........................................................................ 23461. Tipi di stadi a transistor e loro polarizzazione .......................................................... 23862. Polarizzare un amplificatore a emettitore comune con le caratteristiche grafiche ............................................................................................. 24363. Ricavare l’equivalente Thevenin del circuito d’ingresso di un amplificatore a emettitore comune ............................................................................................................. 24664. Progettazione empirica per un amplificatore a emettitore comune .................. 24865. Amplificatore a collettore comune .............................................................................. 25166. Amplificatore differenziale ........................................................................................... 25467. Amplificatore push-pull ................................................................................................. 25768. Collegare più stadi negli amplificatori a transistor ................................................. 26269. Relè controllato dalla luce (o dalla temperatura) ...................................................26470. LEd fotosensibile a rilascio graduale ......................................................................... 26671. Lampeggiatore a transistor ............................................................................................ 26772. Spia batteria scarica a transistor ................................................................................. 26873. Il transistor JFET .............................................................................................................. 26974. Scegliere un JFET ..............................................................................................................27475. usare un JFET come amplificatore ............................................................................ 27676. Autopolarizzare un JFET (self biasing) ...................................................................... 27777. Risolvere un circuito a JFET con le formule ............................................................... 27978. Semplice circuito di prova per un JFET a canale n ..................................................28179. Progettazione empirica per un amplificatore JFET a source comune ............... 28380. Il transistor MoSFET ...................................................................................................... 28581. Scegliere un MoSFET ......................................................................................................29182. Verificare MoSFET e JFET ............................................................................................ 29383. utilizzare un MoSFET ad arricchimento a canale n ..............................................29484. utilizzare un MoSFET a svuotamento a canale n ................................................. 29585. Pilotare un relè con un MoSFET ad arricchimento a canale n ........................... 29786. Pilotare un relè con un MoSFET a svuotamento a canale n ...............................29987. Amplificatori a MoSFET ................................................................................................30088. Polarizzazione di uno stadio amplificatore a source comune con MoSFET ad arricchimento a canale n ................................................................................................ 30389. Proteggere l’alimentazione di un circuito con P-MoSFET .................................... 30790. SCR .....................................................................................................................................30891. Scegliere un SCR ................................................................................................................311

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92. usare un SCR con una corrente continua .................................................................. 31293. usare un SCR con una corrente alternata ..................................................................31494. Verificare un SCR con il tester ...................................................................................... 31695. I TRIAC ............................................................................................................................... 31796. Scegliere un TRIAC ......................................................................................................... 32297. Verificare un TRIAC ........................................................................................................ 32398. usare un TRIAC come interruttore in bassa tensione ........................................... 32499. I dIAC ................................................................................................................................. 326100. Testare un dIAC ............................................................................................................ 328101. dimmer a TRIAC ........................................................................................................... 329102. utilizzare un optoTRIAC .............................................................................................. 330103. diodo a quattro livelli o diodo Shockley ...................................................................333104. SCS .................................................................................................................................... 334105. Transistor unigiunzione uJT e PuT ........................................................................... 335106. IGbT .................................................................................................................................. 336107. Verificare un IGbT .......................................................................................................... 338108. Fotodiodo ........................................................................................................................ 339109. utilizzare un fotodiodo per rilevare la luce ..............................................................341110. Fototransistor .................................................................................................................. 342111. utilizzare un fototransistor per rilevare la luce ........................................................344112. optoisolatori ....................................................................................................................344113. usare un optoisolatore per controllare una corrente maggiore .........................348

4. AMPLIFICAToRI oPERAzIonALI .......................................................... 349114. Gli amplificatori operazionali ...................................................................................... 349115. Scegliere un amplificatore operazionale ................................................................... 356116. Comparatore di tensioni ...............................................................................................357117. buffer .................................................................................................................................. 359118. Amplificatore invertente ............................................................................................... 361119. Amplificatore non invertente ...................................................................................... 363120. Creare un’alimentazione duale da una singola ...................................................... 365121. Sommare più segnali con un amplificatore operazionale .................................... 367122. Amplificatore differenziale .......................................................................................... 369123. Integratore di segnale .................................................................................................... 371124. differenziatore .................................................................................................................374125. Potenziare l’uscita di un amplificatore operazionale .............................................376126. Convertitore corrente/tensione ................................................................................. 379127. Pilotare un relè con un amplificatore operazionale ...............................................380128. Convertitore tensione/corrente ................................................................................. 383129. Trigger di Schmitt (isteresi) ........................................................................................384130. oscillatore a onda quadra ........................................................................................... 387131. oscillatore sinusoidale .................................................................................................. 389

IndICE AnALITICo ............................................................................................. 391

Introduzione

Sono passati ormai alcuni anni dalla pubblicazione del mio primo libro di Elettronica, Elettronica per maker. un libro che ha incontrato molti favori ma purtroppo nato in un periodo difficile. In quei tempi mi stavo mettendo in proprio e lavoravo ancora in fer-rovia. Per scriverlo mi alzavo tutti i giorni la mattina presto. Ciononostante quel libro è stato apprezzato da molti maker che cercavano un aiuto per iniziare. Lo spirito con cui l’ho ideato e poi scritto è proprio quello di cercare di aiutare il più possibile chi parte da zero.Questo nuovo lavoro segue la traccia di Elettronica per maker cercando di approfondire maggiormente gli argomenti. Anche questa volta ho deciso di usare l’approccio a "truc-chi e segreti", suddividendo gli argomenti in “pillole” di poche pagine. I temi trattati sono quelli che trovate anche sul mio canale YouTube, dove ogni giorno pubblico un video di elettronica, programmazione o su Arduino. Scrivere un libro di elettronica non è un lavoro semplice. Aiutato dai video che pubblico, sono riuscito a verificare in prima persona tutti gli argomenti che troverete in queste pagine. Questo garantisce a me che le cose funzionino e a voi una certa qualità. Gli errori ci saranno sempre ma con questo metodo credo di poterli ridurre notevolmente, relegandoli a errori di stampa o piccole disattenzioni.Inizialmente ho previsto di realizzare 100 video e quindi 100 trucchi. definire una meta mi è servito per delineare un traguardo da raggiungere. Come immaginavo l’obiettivo è stato raggiunto e superato. Ci sono ben più di 100 temi da affrontare quando si parla di elettronica! Se avete acquistato Elettronica per maker, qui troverete alcuni temi già noti e vari appro-fondimenti matematici. Per affrontare certi argomenti è infatti necessario conoscere alcuni concetti matematici avanzati, o almeno averne un’idea. Ho cercato di spiegare tutto nel modo più semplice possibile.

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Troverete una prima sezione introduttiva sull’elettronica. nelle parti successive ci sono i “trucchi” che trattano prima i componenti passivi per poi passare a semiconduttori, transistor e amplificatori operazionali, il tutto sempre accompagnato da esempi ed esperimenti pratici.buona lettura!

Il canale video I trucchi di questo libro sono tutti accompagnati da video lezioni che ho pubblicato sul mio canale YouTube (http://www.youtube.com/user/zeppelinmaker) e anche su una pagina web (http://www.zeppelinmaker.it/elettronica100/). Troverete quindi ogni argomento del libro spiegato in un video abbastanza conciso. Ho iniziato a pubblicare materiale su YouTube dal 2011, prima abbastanza casualmente, poi con sempre mag-gior criterio. I miei primi video erano molto “grezzi”: filmavo quello che avevo costruito senza alcuna spiegazione o commento. negli anni YouTube è cresciuto ed è diventato un vero e proprio “social”. Mi sono accorto che poteva essere un canale di comunica-zione potente e molto diretto, quindi ho studiato i video degli YouTuber di successo per capire come impostare i miei. Per girare un video non si può improvvisare. Anche se molti sembrano caserecci, die-tro a un video di successo c’è sempre una certa preparazione. Ho cercato di creare qualcosa di valido con un minimo di studio e organizzazione. una semplice macchina fotografica non basta. È fondamentale, ma deve essere accompagnata anche da un buon audio. Ho recuperato un ottimo microfono e vari cavalletti. un’altra cosa impor-tante è l’illuminazione a cui ho provveduto con varie lampade e vi assicuro che sono sempre troppo poche! I miei primi video erano girati quasi al buio, più per necessità che per scelta. L’unico posto a mia disposizione era un locale nel mio sottotetto e potevo girare video solo quando tutti dormivano. Riguardandoli oggi vedo quanto siano cupi e anche un po’in-quietanti. La mia voce era molto dimessa perché non potevo parlare con toni squillanti!un altro elemento fondamentale è il montaggio, che richiede tempo e pazienza. Audio e video devono essere uniti e il tutto va ripulito da rumori, balbettii, pause ed errori. Per evitare di divagare, ogni video è preparato prima su carta. non c’è un vero e proprio copione, ma ogni argomento è stato studiato e provato. Mi sono attrezzato così perché volevo creare qualcosa di “buono”: produrre una certa qualità. La maggior parte dei video “tecnici” girati in Italia sono molto approssimativi e deludenti. Spesso non si giunge al punto, ci sono lunghe divagazioni. Alcuni di que-sti sono filmati con un cellulare senza cavalletto: le immagini traballano e oscillano. Vedendo questi video mi sono detto: “di video capisco poco, non sono bello come Johnny depp... ma posso fare qualcosa di meglio della media”.

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Introduzione

Mi sono quindi dato da fare per girare tanti video: uno al giorno, tutti i giorni, pubblicato alle 9. Viste le premesse un impegno notevole! Questa tattica ha fatto crescere il mio canale fino a 20.000 iscritti (dicembre 2019) e più di 2.000.000 di visualizzazioni (sono sempre una goccia nell’oceano di YouTube). una piccola platea di appassionati mi scrive, commenta e critica ogni giorno. I miei video sono piaciuti molto e tanti mi hanno fatto dei complimenti:

“Voglio ringraziarti per questi video che sono i migliori tra quelli che girano su YouTube (per quanto riguarda chiarezza e praticità). Un grazie di cuore per quanto fai ”.

Roberto

“Ottimo lavoro, indirizzerò chi chiederà manuali o istruzioni varie ai tuoi video”.M.A.

Questi messaggi sono la miglior ricompensa per tutto il tempo che investo con passione nella mia attività divulgativa.

La mia attrezzaturaSpesso mi chiedono che attrezzatura utilizzo. non ho segreti:

• fotocamera canon d100;• microfono Röde Lavalier;• mini mixer Xenyx con interfaccia audio uSb;• openboard come lavagna con tavoletta grafica Wacom Intuos;• QuickTime per la registrazione dello schermo;• iMovie per il montaggio dei video.

Organizzazione del libroI progetti e gli argomenti del libro sono organizzati in 130 unità che ho pensato di de-finire “trucchi”. ogni trucco presenta un argomento completo e unitario. non c’è un filo logico “obbligato”: potete quindi leggere il libro tutto d’un fiato oppure consultarlo come un prontuario per risolvere i vari casi che vi potrebbero capitare realizzando un prototipo. Chi di voi ha già acquistato Elettronica per maker potrebbe ritrovare argomenti simili. non ho potuto fare a meno di replicare delle parti, per certi argomenti è inevitabile, ma dove è capitato ho cercato di aggiungere più notizie o di dare una presentazione differente, così che comunque ci siano informazioni nuove e inedite.

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I trucchi del libro sono organizzatI in quattro sezioni che corrispondono ad altrettanti capitoli:

• un capitolo teorico introduttivo con un riassunto delle basi teoriche necessarie;• componenti passivi, resistori, condensatori e bobine;• diodi, transistor, MoSFET, SCR e TRIAC;• amplificatori operazionali.

Ho pubblicato tutti i listati e il materiale utilizzato nel libro e durante i video sul reposi-tory online di GitHub all’indirizzo: https://github.com/zmaker/elettronica100.

Chi sonoIn questi anni mi sono occupato di molte attività e tecnologie vicine al mondo dei maker. Ho sperimentato con startup e imprese, cambiando pelle varie volte, ricercando un business che funzionasse. nel 2011 ho fondato Frankenstein Garage e poi FabLab Milano: tra le prime startup a occuparsi nuovamente di hardware al posto di software e App. In seguito aprii Fabb srl che si è occupata senza grande successo di stampa 3d, olo-grammi e infine di progettazione IoT. da alcuni anni ho avviato Reelco (www.reelco.it): REborn ELectronic Company, che esegue riparazioni elettroniche industriali. ogni gior-no è una nuova sfida e ci capitano macchinari di ogni tipo che quasi sempre ripariamo con grande soddisfazione. In poco tempo sono passato dalla mia soffitta ad affittare un piccolo laboratorio aiutato da altri cinque compagni di viaggio e collaboratori. Sembra che questo sia un business azzeccato e che finalmente le cose inizino a muoversi…Ho scritto alcuni libri come Il manuale del maker, tradotto in inglese da Make Media Press, alcuni testi sulla stampa 3d e altri volumi di questa collana (Il manuale di Arduino, Arduino trucchi e segreti, Elettronica per maker, Riparare (quasi) ogni cosa). Potete contattarmi tramite il mio sito www.zeppelinmaker.it o via email all’indirizzo: [email protected].

AvvertenzeLa corrente elettrica può essere molto pericolosa: è invisibile e se non si è consapevoli o sicuri di quello che si fa si può incorrere in incidenti gravi o mortali. non utilizzate mai per i vostri esperimenti la tensione di rete a 220 V. Impiegate solo pile, batterie ed eventualmente alimentatori, prestando comunque la massima attenzione. Se non siete sicuri o avete dubbi chiedete a un esperto, un amico, un professionista… Su Internet e su Facebook si trovano molti siti e gruppi, anche se non è facile capire se una persona sia veramente esperta solo in base a quello che scrive.

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Introduzione

né io né l’editore possiamo assumerci alcuna responsabilità per gli esiti che potreb-bero avere gli esperimenti descritti in questo libro. non possiamo rendere conto per incidenti o danni subiti da cose, persone e animali che potrebbero verificarsi durante gli esperimenti che condurrete. Fate ogni cosa con la massima attenzione e cercate di prevedere le conseguenze delle vostre azioni.

Le nozioni di base

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Per comprendere il funzionamento dei circuiti elettronici

è necessario conoscere alcuni concetti teorici fondamen-tali: corrente, tensione, resistenza, impedenza.

Parleremo delle leggi di Thevenin, Kirchhoff, Norton

e delle tecniche per risolvere circuiti in corrente continua

e alternata.

In questa sezione troverete alcuni concetti fondamentali che riguardano l’elettronica e che saranno utili per poter affrontare i trucchi presentati nel libro. Saranno trattate le grandezze fondamentali e le leggi necessarie per effettuare calcoli sui circuiti ricavando tensioni, correnti e resistenze. Tenete questa sezione come riferimento, soprattutto per quello che riguarda i sistemi per la soluzione dei circuiti. Ho cercato di restringere al minimo le informazioni necessarie per non penalizzare il resto del libro. Troverete molti concetti matematici ed elettronici condensati in poche righe. Ho provato a ridurre il più possibile le formule e dove indispensabile a introdurle in modo che chiunque possa comprenderle. Alcuni dei concetti matematici che incontrerete sono di solito presen-tati in corsi avanzati, ma sono comunque cose comprensibili a chi ha la pazienza e la voglia di spendere un po’ di tempo per capire. Vi consiglio, se potete, di completare la lettura del libro con qualche vostro approfondimento personale: utilizzate qualche libro di matematica o sfruttate le infinite risorse di Internet, oggi canale indispensabile per chi vuole acquisire conoscenza su una materia. Molti dei temi presentati qui li potete

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trovare trattati sul mio canale YouTube. Potete decidere se leggervi tutto il capitolo o se saltarlo per tornarci in seguito, quando e se necessario.

Corrente elettricaLa corrente elettrica è definita come la quantità di carica che attraversa una certa sezione, in un certo tempo:

i numero carichetempo

=

Se ci fate caso pare una definizione simile a quella della “portata” dell’acqua intesa come la quantità di liquido che attraversa una certa sezione in un certo tempo. Per l’acqua parliamo di litri al secondo, mentre per la corrente dovremmo parlare di cariche al secondo. L’unità di misura della carica elettrica sono i coloumb. La corrente si misura quindi in coloumb al secondo, comunemente detti ampere.

Per arrivare a una definizione precisa ci servirebbe uno strumento per misurare il nu-mero di cariche elettriche che attraversano una certa superficie. È molto difficile fare una misura istantanea, quindi immaginate di poter fare due misure a poca distanza una dall’altra e quindi di ottenere il numero di cariche facendo la differenza tra quelle misurate nell’istante finale e quelle rilevate nell’istante iniziale. La definizione di cor-rente diventa quindi:

= −−

= ∆∆

I q qt t

qt

2 12 1

Le correnti si indicano solitamente con la lettera “I”, eventualmente anche seguita da un numero posto a pedice, nel caso se ne debba indicare più d’una (per esempio i1, i2, i3). La definizione appena riportata indica però una media matematica: conto per un certo

Figura 1.1 – La corrente è data dal moto di cariche all’interno di un materiale conduttore.

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Le nozioni di base Capitolo 1

periodo di tempo le cariche che passano in una certa sezione e poi le divido per il tem-po trascorso. È possibile arrivare a una definizione il più possibile “puntuale” e quindi istantanea riducendo il più possibile l’intervallo di tempo da misurare. La definizione data si dice “operativa” perché affronta il problema dal punto di vista pratico e offre una soluzione che richiede l’uso di strumenti e misure. Per misurare la corrente non usiamo però un rilevatore di cariche elettriche ma uno strumento chia-mato amperometro che ci fornisce direttamente la misura in ampere. un ampere è infatti pari a una quantità di carica pari a un coloumb che attraversa una certa sezione nel tempo di un secondo. Sapendo che un elettrone ha una carica pari a –1.6 x 10–19 C, possiamo ricavare il numero di elettroni che danno vita al nostro “ampere”:

numero di elettroni 11.6 10

6.250.000.000.000.000.00019=⋅

=−

Il simbolo usato per indicare gli ampere è la lettera A. una corrente di 10 ampere si indicherà quindi:

=i 10 A1

In elettronica si ha spesso a che fare con correnti molto piccole e quindi si usano frazioni di ampere come i milliampere (1 mA = 0,001 A o 10–3 A) o i microampere (1 µA = 0,001 mA o 0,000001 A o 10–6 A).Le cariche di cui parliamo sono gli elettroni che possono muoversi agevolmente all’in-terno di alcuni materiali particolari, solitamente di tipo metallico e quindi chiamati conduttori. Possiamo ottenere una corrente da un generatore che può essere una batteria o un alimentatore. batterie e alimentatori hanno due poli, cioè due terminali (o morsetti, come amano chiamarli gli elettrotecnici), uno detto positivo e contrasse-gnato con il simbolo “+” e uno negativo, contrassegnato con il simbolo “–”. originaria-mente si pensava che la corrente fosse determinata dal moto di cariche positive uscenti dal polo positivo, che fluiscono in un circuito e poi raggiungono il polo negativo. Studi successivi rivelarono che la corrente era generata dal moto di cariche negative, gli elet-troni, e che quindi il verso corretto era dal polo negativo al positivo. Ai fini pratici, dire che delle cariche positive si muovono dal polo positivo al negativo o che delle cariche negative si muovono dal polo negativo al positivo è la stessa cosa. Per avere un’indicazione visiva di come la corrente scorre in un circuito, si usa ripor-tarla sugli schemi elettronici con una freccia sovrapposta o affiancata ai rami di un circuito. nella Figura 1.2 possiamo vedere un semplice circuito in cui il generatore è rappresentato da una batteria b1 a cui è collegato un componente generico C1. Ai capi

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del componente C1 troveremo la stessa tensione fornita dalla batteria b1. La corrente che fuoriesce dal generatore non può far altro che attraversare il componente C1 per poi ritornare al polo negativo della batteria.

Possiamo avere correnti continue e quindi caratterizzate da un flusso costante di ca-riche che si spostano da un polo all’altro del nostro generatore, oppure correnti varia-bili. una corrente continua è molto più semplice da trattare di una corrente variabile. Le correnti variabili possono essere di diversa natura. Possiamo avere correnti che varia-no in modo regolare, per esempio con un andamento “a onda” o sinusoidale e che hanno quindi una certa frequenza, o correnti che variano in modo più complesso. Le correnti variabili si possono analizzare e studiare usando formule matematiche che possono essere più o meno complicate. In ogni caso, anche le onde più complicate si possono sempre descrivere con una sommatoria più o meno complessa di onde semplici.

TensioneAbbiamo detto che la corrente è originata da un moto di cariche elettriche. Cosa può far spostare delle cariche elettriche? Serve un campo elettrico. Possiamo creare un campo elettrico quando abbiamo delle concentrazioni di cariche nello spazio. Se avete mai provato a strofinare un palloncino su un maglione di lana potete intuire di cosa stiamo parlando. Strofinando il palloncino la sua superficie si carica elettricamente e possiamo accorgerci della presenza delle cariche perché se ci avviciniamo al palloncino e abbiamo ancora i capelli, questi saranno attratti dalla sua superficie. Questo è un semplice esempio di campo elettrico. Collegando un conduttore tra due poli di un generatore chiudiamo un circuito e faccia-mo in modo che all’interno del conduttore si stabilisca un campo elettrico. Le particelle presenti nel campo elettrico subiranno una forza detta forza elettromotrice che le met-terà in moto e quindi potremo generare una corrente. Quando parliamo di “tensione” o di “voltaggio” ci riferiamo alla differenza di potenziale tra due punti. Il potenziale di un

Figura 1.2 – Generatore collegato a un componente elettronico. Corrente e tensione sono indicate con due frecce.

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punto è dato dall’energia (potenziale) posseduta da una particella in quella posizione. La differenza di potenziale elettrico invece è il lavoro necessario per muovere una carica da un punto all’altro.Per riprendere la metafora acquatica, possiamo dire che il voltaggio è paragonabile all’altezza da cui cade dell’acqua o all’inclinazione di un tubo. Se vogliamo che scorra l’acqua, il tubo va inclinato.Il voltaggio è una misura relativa e riguarda sempre due punti. Parleremo di voltaggio tra il punto A e b indicandolo con la scrittura: VAb.

= −V V VAB A B

La lettera V si usa tradizionalmente per indicare il voltaggio. Quando il voltaggio riporta una sola lettera, non è assoluto, ma significa che è riferito a massa o al punto di terra, cioè a un punto che per convenzione assumiamo sia al potenziale 0 e solitamente corrisponde al negativo del generatore o della batteria che utilizziamo per alimentare il circuito.Analogamente alla corrente, possiamo dare una definizione operativa del voltaggio indicandolo come:

VAB =UA −UBq

= ∆Uq

Il voltaggio è dato dal rapporto tra la differenza di energia potenziale di due punti, diviso la quantità di carica. Ricordando che il joule è l’unità di misura dell’energia, possiamo quindi misurarlo come:

JC

V11

1

=

L’unità di misura è il volt. Possiamo misurare facilmente una differenza di potenziale utilizzando un voltmetro o un comune multimetro.

Legge di Ohmuna delle leggi fondamentali dell’elettronica necessaria alla risoluzione dei circuiti è la legge di ohm, che lega tra loro la tensione e la corrente attraverso la resistenza:

= ⋅V I R

La resistenza si misura in ohm, unità di misura che prende il nome dal fisico tedesco Georg ohm che agli inizi del 1800 studiò le relazioni tra corrente e tensione e gli effetti prodotti su vari materiali. Il simbolo degli ohm è la lettera greca omega: Ω. I compo-

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nenti normalmente utilizzati in elettronica hanno resistenze che partono da frazioni di ohm (milliohm) fino a megaohm. Il simbolo solitamente usato per rappresentare le resistenze è una linea a zigzag con due terminali o in alcuni casi un semplice rettangolo. Le resistenze si indicano con la lettera R solitamente dotata di un pedice numerato: R1. Le resistenze sono dei componenti non polarizzati: è possibile invertire i loro terminali senza che il loro comportamento cambi. L’effetto prodotto da una resistenza è quello di “frenare” il passaggio degli elettroni e quindi determinare una caduta di tensione. È paragonabile, utilizzano la metafora idraulica, a un tubo strozzato.

Spesso in elettronica si ha a che fare anche con l’inverso della resistenza, cioè la con-duttanza, solitamente indicata con la lettera “G” (anche minuscola). La conduttanza si misura in siemens. Il simbolo a volte è indicato con s, a volte con un ohm rovesciato oppure con 1/ohm.In campo elettronico abbiamo dispositivi che funzionano come generatori, che fornisco-no corrente e tensione, e dispositivi che si comportano come utilizzatori. un resistore è un dispositivo dotato di due terminali che oppone una certa resistenza al passaggio della corrente. Collegando un generatore al resistore, stiamo applicando ai suoi capi una tensione V. La corrente assorbita dal resistore dipende appunto dalla sua resistenza ed è definita dalla legge di ohm. La corrente si rappresenta solitamente con una freccia affiancata o sovrapposta a uno dei terminali, mentre la tensione è una freccia che va da un punto all’altro del circuito. In alcuni casi, al posto della freccia si indicano i segni + e –.Immaginiamo di avere un generatore di tensione che può fornire un voltaggio di 12 V. Collegando ai suoi morsetti una resistenza fisseremo la corrente che circola nel circuito. Immaginando di misurare 20 mA, possiamo ricavare il valore della resistenza collegata:

R VI

12 V20 mA

12 V0,020 A

600

= = = = Ω

Esiste una seconda formulazione della legge di ohm, detta macroscopica, e di tipo più sperimentale. Considerato che ogni materiale può condurre la corrente più o meno bene o non condurre del tutto (isolante), è possibile ricavare un coefficiente di resistività

Figura 1.3 – I simboli (a)(b) comunemente usati per indicare una resistenza e un disegno (c) che la rappresenta come un tubo strozzato.

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(rho). Conoscendo la resistività di un materiale è possibile ricavare il valore della sua resistenza che è legato alla lunghezza (l) e alla sua sezione: (S).

ρ= ⋅R lS

Maggiore è la lunghezza del materiale, maggiore sarà la resistenza misurata. La resi-stenza invece diminuisce al crescere della sezione: maggior sezione, minore resistenza. La resistività dei metalli dipende anche dalla temperatura.

Tabella 1.1 – Resistività di alcuni materiali.

Materiale Resistività (Ωm)

Argento 1,63 ∙ 10–8

Rame 1,72 ∙ 10–8

Ferro 6,54 ∙ 10–8

Alluminio 2,82 ∙ 10–8

Vetro 1012

Teflon 1023

Collegamenti in serie e in paralleloun circuito elettrico è formato da un insieme di componenti elettrici connessi tra di loro. I componenti sono anche detti bipoli, a indicare che sono dotati di due terminali definiti poli o reofori. Possiamo avere due tipi di connessione fondamentale:

• collegamento in serie;• collegamento in parallelo.

nel collegamento in serie i componenti sono collegati in modo da realizzare un percorso unico per la corrente che li attraverserà. Il terminale di un componente è direttamente e unicamente collegato al terminale del componente successivo. La tensione sarà ap-plicata ai terminali “liberi” posti all’estremità della serie. nel collegamento in parallelo i componenti hanno i loro due terminali collegati a due linee da cui prendono la tensione di alimentazione. La corrente sarà divisa tra i vari componenti a seconda delle caratteristiche di ogni singolo elemento. ogni componente avrà applicata alle sue estremità la stessa tensione di alimentazione.

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Figura 1.4 – Collegamento di più bipoli in parallelo (1) e in serie (2).

Più resistori in serie sono attraversati tutti dalla stessa corrente e il valore complessivo di tutti i componenti sarà pari alla semplice somma dei singoli valori:

∑= + + +… ==

R R R R Rtoti

N

i1 2 31

Più resistori in parallelo si trovano sottoposti alla stessa tensione. La corrente fornita si suddivide tra le varie resistenze. Il calcolo del valore della resistenza equivalente è più complesso:

∑= + + +… ==R R R R R

1 1 1 1 1

tot i

N

i1 2 3 1

È necessario calcolare il valore della somma dei valori inversi delle singole resistenze e poi invertirlo per ricavare la resistenza equivalente.nel caso ci fossero solo due resistenze in parallelo la formula si semplifica e si può scrivere:

= + =+⋅R R R

R RR R

1 1 1

tot 1 2

1 2

1 2

Figura 1.5 – Collegamento di più resistori in serie: una sola corrente li attraversa uno per uno.

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Quindi invertendola:

=⋅+

RR RR Rtot

1 2

1 2

Se le resistenze hanno lo stesso valore, il valore della resistenza equivalente è pari alla metà del loro valore nominale:

= ⋅+

= =R R RR R

RR

R2 2tot

2

Collegamento a stella e a triangolooccasionalmente potrebbe capitare di incontrare delle connessioni differenti da quelle in serie e parallelo chiamate collegamento a stella o a triangolo. nella connessione a stella le tre resistenze hanno uno dei loro terminali collegato “in comune”, mentre nella connessione a triangolo le resistenze formano, appunto, un triangolo. una con-figurazione di questo tipo all’interno di un circuito potrebbe metterci in difficoltà, ma solitamente si può risolvere il problema, semplificandolo e passando da una configu-razione all’altra.

Figura 1.6 – Collegamento di più resistenze in parallelo: una sola tensione è applicata ai capi di tutti i resistori.

Figura 1.7 – Collegamento di più resistori in configurazione a triangolo (1) e a stella (2).

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Le formule per passare da una configurazione all’altra non sono semplici e richiedono la comparazione dei due circuiti, considerando caso per caso quanto si osserva su una coppia di morsetti per volta. Presento qui solo le formule finali.Per il passaggio da triangolo a stella, facendo riferimento ai nomi delle resistenze visibili in Figura 1.7, abbiamo:

= ⋅+ +

P A BA B C

= ⋅+ +

Q A CA B C

= ⋅+ +

R B CA B C

Per passare invece da stella a triangolo useremo le seguenti formule:

= + +A PQ QR RPR

= + +B PQ QR RPQ

= + +C PQ QR RPP

GeneratoriIn questa breve descrizione di cosa sono corrente e tensione elettrica abbiamo incon-trato un generatore, rappresentato come una batteria. In elettronica abbiamo due tipi di generatori:

• generatori di tensione;• generatori di corrente.

I generatori di tensione sono quelli a noi più familiari perché è più facile incontrarli nella vita quotidiana. una batteria si può considerare con buona approssimazione un generatore di tensione, cioè un dispositivo in grado di fornire una tensione “fissa” ai suoi capi. Mentre la tensione è fissa, la corrente è variabile e dipende da ciò che colle-ghiamo al generatore. un generatore teorico o ideale può fornire una corrente che parte da 0 fino ad arrivare all’infinito. Il primo caso si verifica con un circuito aperto, mentre il secondo con un cortocircuito. Il valore della corrente si può determinare utilizzando la legge di ohm.

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I generatori sono considerati dispositivi attivi, in grado cioè di fornire corrente e ten-sione a un circuito. Sono rappresentati come bipoli, cioè con un simbolo grafico dotato di due terminali o morsetti dotati di polarità. un morsetto corrisponde al polo positivo (+ e colore rosso) e l’altro è associato al polo negativo (– e colore nero). Per conven-zione troveremo ai loro capi una tensione mentre la corrente sarà uscente dal lato del polo positivo.

I generatori di corrente si comportano in modo “duale” e possono fornire una quantità prefissata di corrente. In questo caso a variare sarà la tensione ai capi del generatore che dipenderà da quello che andremo a collegarvi.

Figura 1.9 – Simboli di alcuni tipi di generatori: (a) generatore di corrente, (b) generatore di tensione, (c) generatore di corrente (simbolo alternativo), (d) generatore di tensione (simbolo alternativo), (e) generatore comandato di corrente, (f) generatore comandato di tensione.

In elettronica si usano spesso anche dei generatori controllati. Anche questo tipo di generatori non esiste realmente perché sono solamente dei modelli utili per trattare alcuni tipi di componenti particolari. In Figura 1.9 è possibile vedere il simbolo di un generatore “comandato” di corrente (e) e di un generatore “comandato” di tensione (f). un generatore di corrente “comandato” produce una corrente che dipende da altre grandezze (tensioni o correnti) rilevate all’interno del circuito in cui è inserito. Anche il generatore di tensione “comandato” si comporta nello stesso modo, rilevando una

Figura 1.8 – Per convenzione i generatori forniscono una corrente che fuoriesce dal loro morsetto positivo (la corrente è indicata con una freccia di colore rosso).

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grandezza elettirca all’ingresso e producendo una tensione “controllata”. un esempio potrebbe essere un amplificatore che produce una tensione d’uscita V0 prelevando la tensione di ingresso Vi e applicandole un guadagno AV.

= ⋅V V Ao i i

I generatori “reali” si comportano in modo differente da quelli teorici. L’alimentatore da laboratorio è l’oggetto più simile a un generatore di tensione. Possiamo impostare una tensione di lavoro e l’alimentatore, una volta collegato a un carico o a un circuito, fornirà una corrente che potrà arrivare al massimo valore previsto per quel tipo di ali-mentatore. un alimentatore da laboratorio comune può arrivare per esempio a 5 o 10 A: questa è la sua massima capacità di fornire corrente ed è rilevabile dal manuale o da qualche etichetta posta sull’oggetto. Possiamo creare un modello matematico per i generatori reali semplicemente aggiungendo una resistenza a un generatore ideale. un generatore di tensione reale si può ottenere aggiungendo una resistenza in serie a un generatore ideale. Per ottenere un generatore di corrente reale (oggetto più meno co-mune), aggiungeremo una resistenza in parallelo al generatore di corrente. La resistenza interna permette di tenere in considerazione eventuali cadute di tensione e dissipazione di potenza interne. Quando vi si collega un carico, la tensione o la corrente nominali misurabili ai suoi morsetti variano in funzione del carico collegato.

nel modello di un generatore di tensione reale (Figura 1.10), la tensione nominale V0 è rilevabile in assenza di carico. A causa della presenza della resistenza interna Ri, collegando un carico al generatore, la corrente reale rilevata (V1) sarà sensibilmente differente da V0, in rapporto al carico collegato. Analogamente accade per un genera-tore di corrente.

Figura 1.10 – Modello di un generatore di tensione reale (a) e di un generatore di corrente reale (b).

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Paolo Aliverti Elettronica - Edizioni LSWR · Le nozioni di base: corrente, tensione, resistenza e impedenza >> Resistori e condensatori, motori, relè, altoparlanti e microfoni >>