Unità 6 - Componenti elettrici ed elettronici

Nelle varie fasi della progettazione elettronica - dalla simulazione alla realizzazione di schede su circuito stampato (PCB) - si tiene conto del fatto che verranno impiegati componenti commerciali (resistori, condensatori, transistor, integrati, ecc.) che, pur disponibili nelle tipologie più svariate, sono comunque da scegliere da un catalogo limitato di prodotti “già pronti”.

In questa unità vedremo alcuni dei principali componenti elettronici. Alcuni di questi verranno utilizzati in laboratori per realizzare dei circuiti su breadboard.

La breadboard permette di realizzare velocemente prototipi di circuiti senza bisogno di fare saldature. E' una basetta con dei fori dove, con una lieve pressione, si inseriscono i terminali dei componenti, collegandoli uno con l'altro. Il circuito così realizzato può essere facilmente modificato e smontato per riutilizzare i componenti.

I fori della breadboard sono collegati tra loro elettricamente secondo questo schema:

• i fori di ogni riga rossa e blu orizzontale sono collegati tra loro
• i fori delle righe verticali sono collegati tra loro cinque a cinque

¹⁾

Solitamente le righe rossa e blu servono per l'alimentazione mentre quelle centrali sono utilizzate per collegare i vari componenti.

Ci sono vari modi di catalogare i componenti.

Considerando il loro funzionamento, dal punto di vista energetico, i componenti vengono detti:

• attivi se aggiungono energia al circuito (ad esempio generatori di tensione, batterie, alimentatori)
• passivi se assorbono energia elettrica dal circuito (ad esempio conduttori, lampade, motori)

Considerando la tecnologia di realizzazione i componenti vengono detti:

• discreti se svolgono una sola funzione (ad esempio un resistore, un condensatore, un transistor)
• integrati se comprendono al loro interno altri componenti miniaturizzati formando un circuito (integrato) destinato ad una particolare funzione (ad esempio la CPU di un PC o un amplificatore operazionale)

Considerando la tecnica di montaggio distinguiamo tra componenti:

• a foro passante se vengono montati facendo passare i reofori attraverso dei fori praticati sul circuito stampato e saldando
• a montaggio superficiale (SMT o SMD) se vengono direttamente saldati sulla superficie del circuito stampato (di solito hanno dimensioni molto ridotte)

Sono conduttori realizzati per avere un valore specifico di resistenza. Hanno forma cilindrica e presentano due terminali detti reofori. Il valore della resistenza è indicato con un codice a bande colorate stampato sul resistore. Il codice più comune prevede quattro bande che vanno lette a partire da quella più vicina ad uno dei due reofori²⁾.

Il significato delle bande è il seguente:

• le prime due bande indicano due cifre del valore della resistenza
• la terza banda è un moltiplicatore multiplo di dieci (x 10, x 100, x 1000, ecc.) con un numero di zeri indicato dal colore³⁾
• la quarta indica la tolleranza, cioè lo scostamento massimo tra il valore reale della resistenza e quello dichiarato, espresso in forma percentuale

Al colore delle prime tre bande è associato un numero come nella tabella seguente:

La quarta banda usa un codice diverso ma è sufficiente sapere che nei resistori più comuni il colore argento indica una tolleranza del 10% e quello oro del 5%.

Facciamo un esempio: se i colori delle quattro bande di un resistore sono marrone, verde, rosso e oro il valore della resistenza si ottiene così:

marrone -> 1
verde   -> 5
rosso   -> x 100 (due zeri, oppure 10^2)
oro     -> 5%

Quindi R=1500 Ω (oppure R=1,5 kΩ)

I resistori sono componenti commerciali e ovviamente non sono disponibili in tutti i valori di resistenza possibili ma secondo delle serie standard di cui la più comune è la serie E12. Questa è composta di 12 valori associati alle prime due cifre del codice a bande: 10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82. Per ottenere un valore di resistenza non standard si possono collegare insieme più resistenze o utilizzare resistenze variabili.

I resistori possono essere collegati tra loro:

• in serie, cioè uno di seguito all'altro (senza diramazioni) e quindi percorsi dalla stessa corrente, per ottenere una resistenza complessiva pari alla somma delle varie resistenze di ogni resistore (`R=R_1+R_2+…`)
• in parallelo, cioè collegandoli agli stessi due punti in modo che siano sottoposti alla stessa tensione, per ottenere una resistenza complessiva pari all'inverso della somma degli inversi delle resistenze di ogni resistore (`R=1/(1/R_1 + 1/R_2 + …)`)

Le resistenze variabili sono componenti a tre terminali dove il terminale centrale può essere spostato per realizzare un valore di resistenza regolabile tra zero e un valore massimo indicato sul componente. Vengono chiamati:

• potenziometri se usati per regolare una resistenza o una tensione (ad esempio il volume di uno stereo)
• trimmer se si usano solo per operazioni di taratura (ad esempio il tempo di accensione di una luce scala)

I condensatori sono componenti che sottoposti a tensione accumulano carica ed energia (ne abbiamo già parlato nell'unità 2). I condensatori sono realizzati con diverse tecnologie; la differenza più importante è che alcune tipologie di condensatori - quelli con capacità maggiore - hanno un verso⁴⁾ mentre tutti gli altri no. L'aspetto dei condensatori cambia a seconda della tecnologia impiegata:

• i ceramici hanno una forma tonda e schiacciata e in genere sono di colore marrone chiaro
• quelli in poliestere una forma rettangolare con un spessore di pochi millimetri
• gli elettrolitici hanno una forma cilindrica (le armature e l'isolante sono avvolti per occupare meno spazio)

Anche i condensatori, come i resistori, sono prodotti in serie commerciali (ad esempio la serie E12 con gli stessi valori dei resistori) e possono essere collegati tra loro in serie o in parallelo (vedi figura 9). Collegando due o più condensatori in serie si ottiene un valore di capacità calcolabile con una formula simile a quella usata per le resistenze in parallelo:

`C=1/(1/C_1 + 1/C_2 + …)`

Collegandoli in parallelo invece si ottiene un valore di capacità pari alla somma di quella dei vari condensatori:

`C=C_1+ C_2 + …`

Il collegamento in serie e in parallelo è usato anche per i generatori di tensione. Collegando più generatori in serie si ottiene una tensione complessiva pari alla somma delle tensioni dei singoli generatori; collegandoli in parallelo - NB si può fare solo se tutti i generatori hanno la stessa tensione - la tensione non cambia ma è possibile erogare più corrente. La tabella 2 mostra i due tipi di collegamento; quello in serie è spesso utilizzato negli apparecchi elettrici a batterie per ottenere un valore di tensione adeguato con le pile stilo da 1,5 Volt.

In quasi tutti i circuiti è presente un interruttore (o un commutatore) per alimentare il circuito o interromperne il funzionamento. Il compito di un interruttore è di chiudere o aprire un circuito permettendo o impedendo la circolazione di corrente. Di solito si tratta di dispositivi elettromeccanci, dove la chiusura e apertura è comandata da una leva o un pulsante con due posizioni, ma possono essere anche dispositivi elettronici.

La figura 10 mostra alcune delle tipologie di interruttori; dall'alto:

• un interruttore semplice a due contatti
• un selettore con un contatto comune e più contatti in uscita
• un deviatore con un contatto in comune e due contatti di uscita, uno detto normalmente aperto e l'altro normalmente chiuso
• un jumper, usato nelle schede per configurarne il comportamento

Negli interruttori le posizioni aperto e chiuso sono stabili, cioè dopo aver azionato l'interruttore il collegamento tra i contatti non cambia. Nei pulsanti invece una sola delle due posizioni è stabile e dopo aver azionato il pulsante i contatti tornano in uno stato predefinito che può essere normalmente chiuso o normalmente aperto.

La figura 11 mostra un disegno schematico e il simbolo di un induttore. Si tratta di una bobina che, percorsa da corrente, genera un campo magnetico; ne abbiamo già visto un'applicazione nell'elettrocalamita. Il parametro elettrico principale di un induttore si chiama induttanza e si misura in Henry (simbolo H) ed è una costante lega tra loro il flusso magnetico generato dall'induttore e la corrente che, attraversandolo, lo ha generato.

La figura 12 mostra il simbolo circuitale di un diodo. Si tratta di un componente a semiconduttore che permette la circolazione di corrente in un solo verso, dall'anodo (A in figura) al catodo (B in figura). Un diodo in conduzione ha una resistenza trascurabile; per questo motivo spesso è accoppiato a un resistore il cui scopo è limitare la corrente. Le applicazioni dei diodi sono svariate (dalla conversione da corrente alternata a continua alla protezione degli integrati); inoltre esistono particolari tipologie di diodi per applicazioni particolari:

• i LED sono diodi che emettono luce quando sono percorsi da corrente
• i diodi Zener vengono usati per ottenere un valore preciso e stabile di tensione continua
• i fotodiodi sono sensori luminosi che generano corrente quando sono esposti alla luce

In elettronica, oltre ai generatori, si considerano componenti attivi anche i componenti elettronici che, dotati di una loro alimentazione, sono in grado di aggiungere energia al circuito. Ad esempio un transistor utilizzato come amplificatore è un componente attivo perché riproduce in uscita il segnale applicato in ingresso aumentandone l'ampiezza immettendo energia nel circuito.

Esistono varie tipologie di componenti elettronici attivi, discreti e non. Elencarli tutti sarebbe impossibile quindi ci limitiamo ad esaminare il transistor, che è comunque il principale componente elementare utilizzato nei circuiti integrati.

Nell'unità 2 si è già detto che il transistor è un componente a semiconduttore con tre poli che viene utilizzato in due modi diversi:

• come interruttore comandato elettricamente
• come amplificatore di segnali

Nel primo tipo di funzionamento uno dei tre poli è usato per permettere o impedire il passaggio di corrente tra gli altri due. Il funzionamento è quello di un interruttore statico, perché non ci sono parti in movimento come nei tradizionali interruttori. Questa modalità di funzionamento è impiegata:

• in elettronica di potenza⁵⁾ e con componenti discreti, dove con un piccolo segnale si comanda una corrente elevata (esempi di applicazione sono: gli alimentatori, i dimmer per le lampade, gli inverter per motori e per impianti fotovoltaici)
• in elettronica digitale e con componenti integrati, dove i due stati - aperto e chiuso - dell'interruttore corrispondono ai valori logici 0 e 1 con cui vengono codificate le informazioni nei dispositivi digitali

Nel secondo tipo di funzionamento un segnale in tensione applicato tra due poli viene replicato con ampiezza maggiore tra altri due poli. Il funzionamento da amplificatore è tipico dell'elettronica analogica ed è impiegato negli amplificatori audio, nella trasmissione dei segnali e nella sensoristica.

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