Elettronica

In questa sezione del sito, l'obiettivo principale é quello di dare una conoscenza adeguata di tutti gli elementi necessari per il conseguimento della patente di radiooperatore.

Esistono materiali nei quali con un piccolissimo sforzo, cioé con una piccola differenza di potenziale applicata, gli elettroni si spostano molto facilmente: questi sono per esempio i metalli ovvero i conduttori.

Esistono, invece, materiali in cui, anche con elevatissime differenze di potenziale applicate, non si riesce a spostare nessun elettrone (questi sono i materiali isolanti).

Comunque, la difficoltà a distaccare elettroni dai rispettivi atomi, e le continue collisioni che si verificano fra questi elettroni liberi, contribuiscono ad opporsi in modo piú o meno sensibile ad un flusso continuo e regolare di elettroni.

Questa opposizione che la corrente elettrica incontra durante il suo percorso entro un conduttore o un circuito prende il nome di resistenza.

Il simbolo della resistenza " la R e l'unità di misura " l'ohm del quale vi sono i seguenti multipli e sottomultipli:

I fattori che determinano il valore della resistenza in modo diretto sono i seguenti:

R=(l/s)

Il coefficiente di proporzionalità r é la resistività del materiale.

Effetto Joule

Per far scorrere una certa corrente entro un conduttore, piú elevata é la resistenza del conduttore stesso, maggiore é il lavoro che occorre fornire dall'esterno, sotto forma di differenza di potenziale. Il lavoro fornito dall'esterno, quindi, si trasforma in calore, ovvero in aumento di temperatura del conduttore considerato. Questo fenomeno prende il nome di effetto joule, che consiste in una trasformazione entro ogni conduttore percorso da corrente, da energia elettrica a energia termica. Un fattore che bisogna tenere in debita considerazione é la temperatura. Si tratta, peró, di un'azione esterna all'elemento stesso.

Quando una corrente I attraversa una resistenza R si ha il riscaldamnento di quest'ultima. E' l'effetto Joule. La quantità di energia W (espressa in Joule) dissipata in calore nel tempo t (espresso in secondi) dipende dal quadrato della corrente I ed é definita dalla relazione seguente:

W= R x I²

Il fenomeno é indispensabile, ad esempio, nel filamento di una lampadina a incandescenza, nelle stufe elettriche, nei ferri da stiro e nei fusibili posti a protezione degli impianti elettrici. E', invece, inutile e dannoso quando non si ha la necessità di produrre calore elettricamente.
Nei componenti elettrici, se la corrente supera il limite previsto, l'effetto Joule crea surriscaldamento e deterioramento dell'isolante.

La legge di Ohm

Esiste una relazione matematica molto importante che si può esprimere secondo la seguente formula:

V = R x I

dove:

V = Tensione (Volt)
R = Resistenza espressa in ohm
I = Intensità di corrente espressa in Ampere

Quando una corrente elettrica I scorre attraverso una resistenza R, tra l'ingresso e l'uscita del componente si crea una diminuzione di tensione ovvero una caduta di tensione. Il calcolo di questa diminuzione,cioé della tensione misurata ai capi della resistenza, si esegue tramite la legge di Ohm:

caduta di tensione = R x I

Resistori in serie

Due o piú resistori sono collegati in serie quando sono percorsi dalla stessa corrente. Esempio:

Aspetto esterno di due resistori collegati in serie

Possiamo notare che la corrente che percorre il resistore R1 deve percorrere anche il resistore R2, in quanto nel punto di unione tra R1 ed R2 non vi sono altri componenti; per cui si dice che sono collegati in serie. Tale tipo di collegamento é richiesto quando si vogliono ottenere tensioni inferiori a quella di alimentazione del circuito. Per calcolare la resistenza totale dei due resistori, vista dai morsetti A e B, cioé Rtot, si usa la seguente formula:

R_T = R₁ + R₂

La resistenza totale Rtla possiamo anche indicare come la resistenza equivalente Req, cioé i due resistori hanno lo stesso valore di un unico resistore avente come resistenza la somma delle resistenze dei due resistori.

Se vi sono piú di due resistori si usa la formula:

R_T = R₁ + R₂ + R₃+R_n

In definitiva per ottenere la resistenza totale si fa la somma dei valori di tutte le resistenze collegate in serie.

Resistori in parallelo

Due o piú resistori sono collegati in parallelo quando i rispettivi morsetti sono collegati l'uno con l'altro in modo che la tensione applicata sia la stessa. Il collegamento in parallelo é il piú utilizzato, infatti in una comune abitazione tutte le apparecchiature elettriche sono collegate in parallelo. Lo schema elettrico é il seguente.

Vista di due resistori collegati in parallelo

Quando i resistori sono due si può utilizzare la seguente formula:

R_tot.= (R₁xR₂)/(R₁+R₂)

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IL CONDENSATORE

Il componente elettronico/elettrico chiamato condensatore é in grado di accumulare una certa quantità di carica elettrica che dipende dalla tensione presente ai suoi capi. Il rapporto tra la carica e la tensione definisce la capacità del condensatore.

C = Q/V

dove:

C = Capacità del condensatore espressa in Farad (F)
Q = Carica del condensatore espressa in Coulomb
V = Tensione (Volt)

		UNITA' DI MISURA
condensatore	C	Farad	F

Come il resistore anche il condensatore é un componente passivo e bipolare, però a differenza del resistore che non é polarizzato, alcuni tipi di condensatori lo sono, hanno cioé un polo positivo e uno negativo che bisogna tenere presente quando si saldano sul circuito stampato.

Nel condensatore c'é passaggio di corrente solo se la tensione presente ai suoi capi é variabile nel tempo

Il condensatore per poter accumulare carica elettrica (caricamento) ha bisogno di un certo lasso di tempo
Se poniamo in serie un resistore (R) e un condensatore (C) collegati ad una batteria, la costante di tempo é data dal prodotto R per C.

t = RxC

dove:

t = (tau) é la costante di tempo
R = é il valore della resistenza
C = é il valore della capacità

E' dimostrato che solo dopo un periodo pari a 5 volte il valore di tau, ai capi del condensatore é presente tutta la tensione della batteria, e in modo analogo una volta staccata la batteria, il condensatore si scarica totalmente dopo 5 volte il valore di tau.

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L'INDUTTANZA

L'induttanza é la proprietà elettromagnetica di una bobina.

Il numero di spire e l'eventuale presenza di un nucleo determinano le proprietà elettromagnetiche di una bobina. Queste proprietà vengono chiamate induttività oppure induttanza.

Per indicare l'induttività di una bobina si usa l'henry (unità di misura).

L'induttanza di una bobina é di 1 henry quando con una variazione di corrente di 1 ampére in un secondo si ha l'induzione di una tensione di 1 volt nella bobina. Generalmente, all'uscita del generatore di ultrasuoni, viene collegata una o piú induttanze (bobine avvolte con uno speciale filo di rame su nuclei di ferrite) per generare la corretta forma d'onda necessaria per la vibrazione ultrasonora dei trasduttori piezoelettrici

		UNITA' DI MISURA
induttanza	L	Henry	H

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FILTRI

Il filtro é un circuito che ricevendo in ingresso segnali di frequenze diverse é in grado di trasferire in uscita solo i segnali delle frequenze volute, in pratica seleziona le frequenze che si vogliono. In un filtro la tensione di uscita é sempre inferiore a quella di ingresso, non é infatti un amplificatore, ma la selezione avviene attenuando le frequenze non volute e lasciando inalterate le frequenze volute.

Principalmente ci occupiamo di due tipi fondamentali di filtro: filtro passa-basso; filtro passa-alto.

Si dice filtro passa basso un circuito che fa passare in uscita solo le frequenze piú basse di un'altra prefissata. La frequenza prefissata, che viene scelta a piacere, viene detta frequenza di taglio e la indichiamo con ft. Un tipico circuito passa basso é il seguente:

Possiamo vedere come il condensatore é un componente che conduce molto le alte frequenze mentre attenua e non fa passare le basse frequenze; nel nostro caso, però, il condensatore non é posto in serie tra ingresso e uscita ma in parallelo all'uscita, quindi le altre frequenze vengono messe in corto circuito dal condensatore verso massa, e non le ritroviamo in uscita; mentre in uscita ritroviamo solo le basse frequenze; quindi il filtro si comporta da filtro passa basso.

Per calcolare la frequenza di taglio si usa la seguente formula:

ft= 1/2(RC)

Se indichiamo con la tensione Vi di ingresso; la tensione di uscita Vu il diagramma del filtro al variare della frequenza é il seguente:

Possiamo vedere come a frequenza zero l'uscita assume il massimo valore, cioé Vu =Vi; in corrispondenza della frequenza di taglio ft l'uscita assume il valore Vu = Vi/ 2

Si dice frequenza di taglio di un filtro quella frequenza alla quale l'attenuazione del filtro, cioé il rapporto tra tensione di uscita e tensione di ingresso é uguale a 1,cioé

Vu = 1

Per frequenze superiori a ft la curva scende verso il basso e quindi la tensione in uscita é molto attenuata.

E' differente del filtro passa-basso, il filtro passa-alto ovvero un circuito che fa passare in uscita solo le frequenze piú alte della frequenza di taglio ft. Un tipico circuito passa alto é il seguente:

Possiamo vedere come il condensatore é un componente che conduce molto le alte frequenze mentre attenua e non fa passare le basse frequenze; nel nostro caso il condensatore é posto in serie tra ingresso e uscita quindi le altre frequenze vengono messe in corto circuito dal condensatore e le ritroviamo in uscita; mentre per le basse frequenze il condensatore si comporta come un circuito aperto, quindi le basse frequenze non riescono a passare; quindi il filtro si comporta da filtro passa alto.

Per calcolare la frequenza di taglio si usa la seguente formula:

ft = 1/2p RC

Se indichiamo con Vi la tensione di ingresso e con Vula tensione di uscita il diagramma del filtro al variare della frequenza é il seguente:

Possiamo vedere come a frequenza zero l'uscita assume il valore zero; per frequenze inferiori a ft la curva si mantiene molto bassa, quindi le basse frequenze non passano. In corrispondenza della frequenza di taglio ft l'uscita assume il valore Vu =Vi / 2.

Per frequenze superiori a ft vediamo che la curva va verso il valore massimo Vi. Quindi é un circuito passa alto.

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LA RISONANZA

Circuito RLC risonante in serie

Se consideriamo un circuito RLC, come nello schema seguente:

e lo alimentiamo con una tensione alternata avente ampiezza fissa ma frequenza variabile, possiamo notare che il valore della impedenza cambia al variare della frequenza.

Impedenza Z in modulo e fase al variare della frequenza

Nel diagramma superiore abbiamo rappresentato il modulo al variare della frequenza, partendo da frequenza zero sino alla massima frequenza, cioé infinito µ ; notiamo che a frequenze basse il condensatore si comporta come un circuito aperto, quindi presenta una elevata impedenza e impedisce il passaggio della corrente; contemporaneamente la induttanza si comporta come un corto circuito, mentre il resistore resta costante; il circuito si dice prevalentemente capacitivo. Man mano che aumenta la frequenza si arriva ad una particolare frequenza in cui il condensatore é diventato ormai un corto circuito e l'induttanza inizia a manifestare i suoi effetti; tale frequenza é detta frequenza di risonanza, che indichiamo con fo, tale frequenza é caratteristica del circuito RLC, infatti in corrispondenza di tale frequenza il circuito si comporta come un semplice resistore R, e l'impedenza raggiunge il valore minimo, cioé Z = R, consentendo il massimo passaggio di corrente. La frequenza di risonanza si calcola con la seguente formula:

f₀ = 1/2(LxC)

a tale frequenza si ha che w L = 1/w C, cioé la reattanza del condensatore é uguale alla reattanza della bobina, e poiché le due reattanze XL e XC sono uguali e contrarie, i loro effetti si annullano.

Per quanto riguarda lo sfasamento possiamo dire che a frequenze basse lo sfasamento parte da -(p/2), alla frequenza di risonanza lo sfasamento é nullo, e ciò costituisce un pregio, in quanto il circuito lo utilizziamo in prossimità della frequenza di risonanza; per frequenze superiori lo sfasamento tende a +(p/2).

Volendo ora rappresentare l'andamento della corrente possiamo utilizzare la formula

I = V/Z

Tenendo costante la tensione e variando la frequenza da 0 a µ il modulo della corrente ha un andamento del tipo:

Modulo della corrente al variare della frequenza

Notiamo che la corrente raggiunge il massimo valore I in corrispondenza di f.Da tale diagramma possiamo concludere che le frequenze che il circuito lascia passare sono quelle comprese tra f1ed f2, in pratica il circuito risonante RLC si comporta come un filtro che lascia passare le frequenze comprese tra f1 ed f2. Si dice banda passante l'insieme delle frequenze comprese tra f1 ed f2.

B = f₂ - f₁

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IL TRASFORMATORE

Il trasformatore viene usato generalmente per elevare o abbassare la tensione disponibile. E' frequente l'uso di questo componente per ottenere dai normali 230 volt, tensioni molto piú basse, variabili tra 1,5 e 12 volt.
Il trasformatore basa il suo funzionamento sul fenomeno dell'induzione elettromagnetica. Infatti il circuito di ingresso (primario) e quello di uscita a tensione piú bassa (secondario) non sono in contatto fisico, ma il primo agisce sul secondo solo tramite il flusso magnetico che genera quando é attraversato dalla corrente.
I due circuiti sono avvolti in spire (avvolgimenti), di numero opportuno, su uno stesso nucleo di materiale ferromagnetico. Questo materiale ha la capacità di facilitare il passaggio del flusso magnetico dal circuito primario a quello secondario (alta permeabilità magnetica), incanalandolo al proprio interno.

In figura vediamo schematizzato un trasformatore. Con Vi é indicata la tensione di ingresso e con Vu quella di uscita.
Indicando con N1 e N2 rispettivamente il numero di spire del circuito primario e del circuito secondario, con K = N1/N2 il loro rapporto (rapporto di trasformazione), la relazione matematica che lega la tensione di uscita a quella di ingresso é:

Vu = Vi/K

Se non ci fosse il nucleo magnetico, il flusso sarebbe minore (l'aria ha una minore permeabilità magnetica) e solo una parte raggiungerebbe il circuito secondario, poiché disperso in piú direzioni.

Solo in tensione alternata si ha induzione elettromagnetica ovvero se il flusso magnetico che investe il circuito secondario é variabile. Nell'uso quotidiano ciò é soddisfatto perché i 230 volt che applichiamo al circuito primario sono alternati e quindi variabili. Di conseguenza anche il flusso magnetico generato é variabile.
Se, invece, applicassimo al circuito primario una tensione continua (cioé non variabile) non otterremmo alcuna tensione in uscita dal trasformatore.

Per quanto riguarda l'alimentazione nei circuiti elettronici, a volte non ci rendiamo conto della presenza dei trasformatori perché sono già contenuti in molti apparecchi quali radio, videoregistratori, piccoli elettrodomestici, amplificatori, computer, ecc. E' vero che inseriamo la spina nella normale presa a 230 volt, ma i loro circuiti funzionano a una tensione decisamente inferiore. Per questo il primo componente che si trova al loro interno é proprio un trasformatore.
Poiché i trasformatori forniscono una tensione alternata, mentre i circuiti elettronici vengono normalmente alimentati in tensione continua, immediatamente a valle del trasformatore troviamo un raddrizzatore e un circuito filtrante.

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