Elettronica trucchi e segreti - 130 idee per risolvere ogni problema - Edizioni LSWR
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Paolo Aliverti Elettronica trucchi e segreti 130 idee per risolvere ogni problema Le nozioni di base: corrente, tensione, resistenza e impedenza >> Resistori e condensatori, motori, relè, altoparlanti e microfoni >> Diodi, transistor e semiconduttori >> Amplificatori operazionali >>
Elettronica
trucchi 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 Aleotti Progetto grafico: Roberta Venturieri Immagine di copertina: Paolo Aliverti Logo 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 autorizzazioni@clearedi.org 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, 7 20141 Milano (MI) Tel. 02 881841 www.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........................................................................................................ 9
Il canale video ............................................................................................................................ 10
Avvertenze....................................................................................................................................12
1. Le nozioni di base.......................................................................................15
Corrente elettrica....................................................................................................................... 16
Tensione........................................................................................................................................ 18
Legge di Ohm.............................................................................................................................. 19
Collegamenti in serie e in parallelo.........................................................................................21
Generatori....................................................................................................................................24
La metafora acquatica...............................................................................................................27
Potenza.........................................................................................................................................28
Leggi di Kirchhoff....................................................................................................................... 30
Teoremi di Thevenin e Norton.................................................................................................35
Funzioni matematiche e sinusoidi..........................................................................................37
Tempi e frequenze..................................................................................................................... 40
Fasori............................................................................................................................................. 41
Operazioni sui fasori..................................................................................................................45
Legge di Ohm in corrente alternata...................................................................................... 48
Condensatori in corrente alternata....................................................................................... 49
Induttori in corrente alternata.................................................................................................52
Impedenza...................................................................................................................................54
Potenza nei circuiti in corrente alternata.............................................................................56
Decibel..........................................................................................................................................57
2. Componenti passivi.................................................................................59
1. Leggere il valore di una resistenza.....................................................................................59
2. Leggere il valore di una resistenza a montaggio superficiale (SMD).......................63
3. Misurare una resistenza...................................................................................................... 66
4. Collegare resistenze in serie e in parallelo .....................................................................69
5. Calcolare la resistenza equivalente di una rete qualsiasi............................................75
6. Calcolare la resistenza equivalente di una rete a stella (o a triangolo)...................78
5Elettronica trucchi e segreti
7. Collegare batterie in serie e in parallelo.......................................................................... 80
8. Scegliere un alimentatore....................................................................................................83
9. Risolvere un semplice circuito elettronico......................................................................87
10. Dimensionare un partitore di tensione.......................................................................... 89
11. Dimensionare un partitore di corrente............................................................................95
12. Calcolare la resistenza per accendere un LED a 12 V................................................ 96
13. Usare un generatore reale................................................................................................. 98
14. Dimensionare la potenza per una resistenza............................................................. 100
15. Risolvere una rete complessa con Kirchhoff...............................................................103
16. Risolvere un circuito con Thevenin................................................................................106
17. Riconoscere un condensatore e leggere il suo valore.................................................110
18. Combinare più condensatori............................................................................................117
19. Riconoscere un induttore e leggere il suo valore....................................................... 122
20. Combinare più induttori.................................................................................................. 125
21. Calcolare il tempo di carica di un condensatore........................................................ 127
22. Calcolare il tempo di carica di un induttore................................................................ 132
23. Calcolare la reattanza di un condensatore................................................................. 135
24. Calcolare la reattanza di un induttore.......................................................................... 137
25. Risolvere circuiti con impedenze generiche............................................................... 138
26. Impedenze in serie............................................................................................................ 147
27. Impedenze in parallelo...................................................................................................... 151
28. Partitore capacitivo............................................................................................................ 151
29. Accendere un LED a 230 V............................................................................................. 153
30. Calcolare correttamente la potenza in un circuito generico..................................154
31. Come funziona un trasformatore................................................................................... 157
32. Combinare gli avvolgimenti di un trasformatore.......................................................160
33. Pulsanti, interruttori e deviatori......................................................................................161
34. Deviare la corrente da una parte all’altra....................................................................164
35. Luce con doppio deviatore.............................................................................................. 165
36. Scegliere e utilizzare un relè........................................................................................... 165
37. Relè ad autoritenuta..........................................................................................................168
38. Lampeggiatore con relè...................................................................................................170
39. Motori...................................................................................................................................171
40. Controllare un motore con un deviatore..................................................................... 182
41. Controllare il moto di un motore con un relè.............................................................. 183
42. Aggiungere un fine corsa a un motore........................................................................184
43. Microfoni.............................................................................................................................184
44. Altoparlanti, buzzer e piezo...........................................................................................186
45. Varistori...............................................................................................................................189
46. Fusibili...................................................................................................................................191
3. Diodi, transistor e semiconduttori......................................... 193
47. Come funziona un diodo?................................................................................................194
48. Scegliere un diodo............................................................................................................199
49. Usare un diodo..................................................................................................................204
6Sommario
50. Usare un diodo zener......................................................................................................206
51. Testare un diodo................................................................................................................209
52. Come funziona un ponte a diodi.....................................................................................211
53. Proteggere gli ingressi di alimentazione...................................................................... 213
54. Proteggere gli ingressi digitali con dei diodi...............................................................214
55. Accendere un LED............................................................................................................. 217
56. Porte logiche con i diodi................................................................................................. 220
57. Il transistor bipolare......................................................................................................... 222
58. Scegliere un transistor bipolare.................................................................................... 227
59. Verificare un transistor................................................................................................... 233
60. Utilizzare un transistor come switch ......................................................................... 234
61. Tipi di stadi a transistor e loro polarizzazione........................................................... 238
62. Polarizzare un amplificatore a emettitore comune
con le caratteristiche grafiche.............................................................................................. 243
63. Ricavare l’equivalente Thevenin del circuito d’ingresso di un amplificatore
a emettitore comune.............................................................................................................. 246
64. Progettazione empirica per un amplificatore a emettitore comune................... 248
65. Amplificatore a collettore comune............................................................................... 251
66. Amplificatore differenziale............................................................................................ 254
67. Amplificatore push-pull.................................................................................................. 257
68. Collegare più stadi negli amplificatori a transistor.................................................. 262
69. Relè controllato dalla luce (o dalla temperatura)....................................................264
70. LED fotosensibile a rilascio graduale.......................................................................... 266
71. Lampeggiatore a transistor............................................................................................. 267
72. Spia batteria scarica a transistor.................................................................................. 268
73. Il transistor JFET............................................................................................................... 269
74. Scegliere un JFET...............................................................................................................274
75. Usare un JFET come amplificatore ............................................................................. 276
76. Autopolarizzare un JFET (self biasing)....................................................................... 277
77. Risolvere un circuito a JFET con le formule................................................................ 279
78. Semplice circuito di prova per un JFET a canale N...................................................281
79. Progettazione empirica per un amplificatore JFET a source comune ................ 283
80. Il transistor MOSFET....................................................................................................... 285
81. Scegliere un MOSFET....................................................................................................... 291
82. Verificare MOSFET e JFET............................................................................................. 293
83. Utilizzare un MOSFET ad arricchimento a canale N...............................................294
84. Utilizzare un MOSFET a svuotamento a canale N.................................................. 295
85. Pilotare un relè con un MOSFET ad arricchimento a canale N............................ 297
86. Pilotare un relè con un MOSFET a svuotamento a canale N................................ 299
87. Amplificatori a MOSFET.................................................................................................300
88. Polarizzazione di uno stadio amplificatore a source comune con MOSFET
ad arricchimento a canale N................................................................................................. 303
89. Proteggere l’alimentazione di un circuito con P-MOSFET..................................... 307
90. SCR......................................................................................................................................308
91. Scegliere un SCR................................................................................................................. 311
7Elettronica trucchi e segreti
92. Usare un SCR con una corrente continua................................................................... 312
93. Usare un SCR con una corrente alternata...................................................................314
94. Verificare un SCR con il tester....................................................................................... 316
95. I TRIAC ................................................................................................................................ 317
96. Scegliere un TRIAC.......................................................................................................... 322
97. Verificare un TRIAC......................................................................................................... 323
98. Usare un TRIAC come interruttore in bassa tensione............................................ 324
99. I DIAC.................................................................................................................................. 326
100. Testare un DIAC............................................................................................................. 328
101. Dimmer a TRIAC ............................................................................................................ 329
102. Utilizzare un optoTRIAC............................................................................................... 330
103. Diodo a quattro livelli o diodo Shockley....................................................................333
104. SCS..................................................................................................................................... 334
105. Transistor unigiunzione UJT e PUT............................................................................ 335
106. IGBT................................................................................................................................... 336
107. Verificare un IGBT........................................................................................................... 338
108. Fotodiodo......................................................................................................................... 339
109. Utilizzare un fotodiodo per rilevare la luce............................................................... 341
110. Fototransistor................................................................................................................... 342
111. Utilizzare un fototransistor per rilevare la luce.........................................................344
112. Optoisolatori.....................................................................................................................344
113. Usare un optoisolatore per controllare una corrente maggiore..........................348
4. Amplificatori operazionali........................................................... 349
114. Gli amplificatori operazionali....................................................................................... 349
115. Scegliere un amplificatore operazionale.................................................................... 356
116. Comparatore di tensioni ................................................................................................357
117. Buffer................................................................................................................................... 359
118. Amplificatore invertente................................................................................................ 361
119. Amplificatore non invertente....................................................................................... 363
120. Creare un’alimentazione duale da una singola....................................................... 365
121. Sommare più segnali con un amplificatore operazionale..................................... 367
122. Amplificatore differenziale........................................................................................... 369
123. Integratore di segnale..................................................................................................... 371
124. Differenziatore..................................................................................................................374
125. Potenziare l’uscita di un amplificatore operazionale..............................................376
126. Convertitore corrente/tensione.................................................................................. 379
127. Pilotare un relè con un amplificatore operazionale................................................380
128. Convertitore tensione/corrente.................................................................................. 383
129. Trigger di Schmitt (isteresi).........................................................................................384
130. Oscillatore a onda quadra............................................................................................ 387
131. Oscillatore sinusoidale................................................................................................... 389
indice analitico.............................................................................................. 391
8Introduzione
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.
9Elettronica trucchi e segreti 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”. 10
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 attrezzatura
Spesso 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 libro
I 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.
11Elettronica trucchi e segreti
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 sono
In 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:
paolo@zeppelinmaker.it.
Avvertenze
La 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.
12Introduzione
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.
131
Le nozioni di base
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
15Elettronica trucchi e segreti
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 elettrica
La corrente elettrica è definita come la quantità di carica che attraversa una certa
sezione, in un certo tempo:
numero cariche
i=
tempo
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.
Figura 1.1 – La corrente è data dal moto
di cariche all’interno di un materiale
conduttore.
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:
q 2 − q1 ∆q
I= =
t 2 − t1 ∆t
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
16Le 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”:
1
numero di elettroni = = 6.250.000.000.000.000.000
1.6 ⋅ 10−19
Il simbolo usato per indicare gli ampere è la lettera A. Una corrente di 10 ampere si
indicherà quindi:
i1 = 10 A
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
17Elettronica trucchi e segreti
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.
Figura 1.2 – Generatore collegato a un componente elettronico.
Corrente e tensione sono indicate con due frecce.
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.
Tensione
Abbiamo 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
18Le nozioni di base Capitolo 1
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.
VAB = VA − VB
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:
UA − UB ∆U
VAB = =
q q
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:
1J
= 1V
1C
L’unità di misura è il volt. Possiamo misurare facilmente una differenza di potenziale
utilizzando un voltmetro o un comune multimetro.
Legge di Ohm
Una 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-
19Elettronica trucchi e segreti
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.
Figura 1.3 – I simboli (a)(b) comunemente usati
per indicare una resistenza e un disegno (c)
che la rappresenta come 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:
V 12 V 12 V
R= = = = 600 Ω
I 20 mA 0,020 A
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
20Le nozioni di base Capitolo 1
(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).
l
R = ρ⋅
S
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 parallelo
Un 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.
21Elettronica trucchi e segreti
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:
N
Rtot = R1 + R2 + R3 +… = ∑Ri
i =1
Figura 1.5 – Collegamento di più resistori in serie:
una sola corrente li attraversa uno per uno.
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:
N
1 1 1 1 1
= + + +… = ∑
Rtot R1 R2 R3 i =1
Ri
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:
1 1 1 R + R2
= + = 1
Rtot R1 R2 R1 ⋅ R2
22Le nozioni di base Capitolo 1
Quindi invertendola:
R1 ⋅ R2
Rtot =
R1 + R2
Se le resistenze hanno lo stesso valore, il valore della resistenza equivalente è pari alla
metà del loro valore nominale:
R⋅ R R2 R
Rtot = = =
R + R 2R 2
Figura 1.6 – Collegamento di più resistenze in parallelo: una sola
tensione è applicata ai capi di tutti i resistori.
Collegamento a stella e a triangolo
Occasionalmente 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 1.7 – Collegamento di più resistori
in configurazione a triangolo (1) e a stella (2).
23Elettronica trucchi e segreti
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:
A⋅ B
P=
A+ B + C
A⋅C
Q=
A+ B + C
B ⋅C
R=
A+ B + C
Per passare invece da stella a triangolo useremo le seguenti formule:
PQ + QR + RP
A=
R
PQ + QR + RP
B=
Q
PQ + QR + RP
C=
P
Generatori
In 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.
24Le nozioni di base Capitolo 1
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.
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).
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
25Elettronica trucchi e segreti
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.
Vo = Vi ⋅ Ai
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.
Figura 1.10 – Modello di un generatore
di tensione reale (a) e di un generatore
di corrente reale (b).
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.
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