Componenti elettrici ed elettronici

Fino ad ora abbiamo parlato genericamente di segnali elettrici senza scendere troppo nel dettaglio. È arrivato il momento di fare qualche approfondimento.

Le grandezze elettriche fondamentali sono:

• la corrente elettrica: flusso di cariche elettriche in una determinata zona
• il potenziale elettrico o tensione: energia potenziale che consente il flusso delle cariche elettriche. Più precisamente, affinché si generi una corrente elettrica tra due punti, è necessario che questi abbiano potenziali diversi (ovvero che sia applicata a questi una differenza di potenziale)

Le cariche elettriche sono di due tipi: positiva e negativa e sono proprietà di due particelle che compongono gli atomi. Il protone (pesante e inglobato nel nucleo atomico) ha una carica positiva. L'elettrone (molto leggero e più libero di muoversi qua e là) ha una carica negativa.

Come probabilmente saprete, i materiali si compongono di atomi e, rispetto al fatto di lasciarsi percorrere o meno da corrente elettrica, si dividono in tre categorie:

Conduttori: si lasciano percorrere facilmente dalla corrente elettrica. All'interno di un conduttore la corrente elettrica è costituita da elettroni che si muovono perché sollecitati da una differenza di potenziale. I metalli sono tipicamente buoni conduttori. I migliori sono l'argento e il rame ma anche oro e platino non se la cavano male. Il corpo umano è peggio del rame ma comunque se la cava bene anch'esso. IMPORTANTE: la corrente elettrica se attraversa il corpo umano (o parti di esso) è molto pericolosa!

Semiconduttori: si lasciano percorrere dalla corrente elettrica a determinate condizioni (ad esempio, di temperatura). Vengono utilizzati in elettronica per altre capacità che vedremo tra poco. Esempi di semiconduttori sono il Silicio, il Germanio e l'Arseniuro di Gallio.

Isolanti: non conducono elettricità ma subiscono l'effetto della differenza di potenziale (che orienta le cariche elettriche degli atomi che compongono il materiale). Aria, carta e plastica sono isolanti. L'acqua sarebbe un isolante ma contiene sempre una certa quantità di molecole divise in ioni. Gli ioni sono gruppi di particelle dotate di carica elettrica. Alcuni hanno carica positiva e altri negativa. La somma, nell'acqua, si annulla ma se applichiamo una differenza di potenziale gli ioni si muovono e (essendo carichi) generano una corrente elettrica. Per questo motivo è meglio non asciugarsi i capelli col phon mentre si sta nella vasca piena d'acqua.

In elettronica la corrente elettrica è quasi sempre dovuta agli elettroni e si muove (per una convenzione che non approfondiremo) sempre dal punto a potenziale più alto a quello a potenziale più basso.

Quando una corrente attraversa un materiale questo si oppone al suo passaggio. La quantità di opposizione è quantificata grazie ad una grandezza denominata impedenza.

L'impedenza ha due componenti resistenza e reattanza. La prima si manifesta sempre, la seconda solo quando la corrente non è di intensità costante (corrente continua o DC in inglese) ma variabile (corrente alternata o AC in inglese). Da qui il nome della band australiana AC/DC.

Veniamo alle unità di misura. L'intensità di corrente (I) si misura in Ampere (A). Il potenziale o la differenza di potenziale si misurano in Volt (V). L'impedenza (Z) si misura in Ohm (Ω).

Tensione, corrente e impedenza sono legate tra loro da una famosissima relazione: la legge di Ohm (che era uno scienziato tedesco vissuto a cavallo tra '700 e '800). Questa dice che:

R=V/I oppure che V=IR oppure che I=V/R

Grazie a questa, se consideriamo il semplice circuito di figura:

Noti due valori possiamo (applicando la legge di Ohm) calcolare il terzo. Quindi se abbiamo, ad esempio V=5V ed R=2,5Ω possiamo dire che la corrente è I=2A.

Il prodotto tra tensione e corrente è la potenza che si misura in Watt (W). La potenza viene erogata dai generatori (componenti in grado di erogare corrente o determinare una differenza di potenziale) e dissipata dalle impedenze. Le impedenze collegate ai generatori vengono anche denominate carico perché devono essere in grado di sopportare tutta la potenza erogata dal generatore.

Ultime due concetti da introdurre sono quello di campo magnetico e campo elettrico. Un campo di forze si instaura quando in una determinata regione di spazio, per qualche ragione, agiscono delle... forze. Il caso più noto è il campo gravitazionale entro cui siamo tutti immersi grazie alla forza di gravità.

Se però applico una differenza di potenziale in uno spazio riempito di materiale isolante genero un campo elettrico. In questa zona eventuali cariche elettriche verrebbero sollecitate dalle forze elettriche del campo. Se faccio passare una corrente elettrica in un conduttore, intorno a questo si genera un campo di forze magnetico che farebbe muovere eventuali cariche elettriche presenti in prossimità (quindi anche un campo magnetico fa muovere le cariche elettriche). I due fenomeni sono molto legati tanto che si parla di campo elettro-magnetico con un intero sistema matematico che serve a studiarlo (qui la cosa si complica e quindi non andiamo oltre).

Veniamo ai componenti. I più semplici sono i cosiddetti componenti passivi:

Resistore - ha il compito fondamentale di opporre resistenza al passaggio della corrente. Tenete presente che un pezzo di filo elettrico ha una resistenza molto bassa e può essere considerato (se non troppo lungo) di resistenza pressoché nulla (tale collegamento viene detto anche corto circuito). La resistenza dipende dal materiale usato, dalla lunghezza e dalla sezione del conduttore. È, almeno in teoria, indipendente dalla frequenza.

Condensatore - ha il compito fondamentale di accumulare cariche elettriche e quindi generare un campo elettrico utile a vari scopi. Quando è sottoposto a una tensione alternata si oppone grazie alla sua reattanza capacitiva che è altissima alle basse frequenze (teoricamente infinita in DC) e diminuisce con l'aumentare della frequenza del segnale di stimolo. È realizzato con due superfici metalliche separate da un materiale isolante e caratterizzato a una grandezza che si chiama capacità (di accumulare cariche). La capacità si misura in Farad (F).

Induttore - è costituito da un filo metallico (ricoperto da uno smalto isolante) avvolto su un nucleo magnetico. Ha il compito fondamentale di accumulare (per poi restituire) energia sotto forma di campo magnetico. Determina una reattanza induttiva che aumenta con la frequenza (è nulla in DC). La sua grandezza caratteristica è l'induttanza e si misura in Henry (H).

Se si prende un nucleo di materiale magnetico (ferrite, leghe particolari quali AlNiCo, alcune ceramiche) e si realizzano su di esso due avvolgimenti (primario e secondario) separati si ottiene un trasformatore. La teoria che c'è dietro è abbastanza complessa (l'intero corso del quarto anno di ITIS per elettronici è sul trasformatore) vi basti sapere che il trasformatore serve per:

• variare il valore di tensione alternata tra circuito primario e circuito secondario (utile negli alimentatori)
• variare l'impedenza e funzionare da adattatori (utile per gestire gli altoparlanti o le connessioni tra sistemi diversi)
• interrompere la connessione elettrica tra due circuiti facendo comunque passare energia tra l'uno e l'altro (utile per interrompere i rumorosi loop di massa).

L'ultimo componente passivo di cui ci occupiamo oggi (ce ne sono altri ma si usano in casi particolari) è il Diodo. La peculiarità di questo è che lascia passare la corrente in un verso e la blocca se si cerca di farla passare nel verso contrario. Quando la corrente passa per il verso giusto il comportamento del diodo non è proprio uguale a quello di una resistenza (corrente proporzionale alla tensione secondo la legge di Ohm) ma all'aumentare della tensione la corrente sale sempre meno come indicato in figura.

Un diodo può essere realizzato in due modi:

Diodo a vuoto: è il caso più semplice di valvola. In una ampolla tenuta in alto vuoto (altrimenti gli elettroni andrebbero a sbattere sulle molecole di aria e il tutto non funzionerebbe) ci sono due elettrodi: il catodo (che emette elettroni grazie ad un opportuno riscaldamento e l'anodo  (detto anche placca o plate in inglese) che se polarizzato con tensione positiva attrae elettroni (e quindi passa corrente) se polarizzato con tensione negativa respinge gli elettroni (e quindi la corrente non passa).

Diodo a semiconduttore: realizza il suo funzionamento (corrente che passa solo da un verso) grazie alle proprietà della giunzione PN. Il funzionamento della giunzione è complesso (serve la meccanica quantistica per capirlo a fondo). Per i nostri scopi è sufficiente sapere che l'anodo è dal lato del semiconduttore N e il catodo dal lato del semiconduttore P. I primi diodi a semiconduttore erano fatti con il germanio, poi è arrivato il silicio. In casi particolari il diodo a semiconduttore percorso da corrente si illumina e diventa un diodo LED (Light Emitting Diode).

Il silicio/germanio N si ottiene immettendo una certa quantità di arsenico o fosforo nella struttura cristallina. Per il silicio/germanio P si usa, invece, il boro.

I componenti visti fino ad ora sono tutti passivi perché restituiscono sempre meno potenza di quanta ne viene loro fornita. Una parte di questa viene dispersa in calore (questo è uno dei motivi per cui i prodotti elettronici si scaldano durante il funzionamento).

I componenti visti fino ad ora, diodi a parte, sono tutti lineari. Ci sono vari modi di definire la linearità. Nella accezione più semplice, un sistema si dice lineare quando gli effetti sono direttamente proporzionali alle cause. In questo senso, se consideriamo come causa la tensione ed effetto la corrente troviamo che resistori, condensatori e induttori sono lineari e che la costante di proporzionalità è proprio l'impedenza. Anche il trasformatore è, almeno in principio, lineare mentre non lo è il diodo (Come si vede nella figura di sopra la relazione tra causa – tensione – ed effetto – corrente – non è una retta).

Nella realtà, però, trovare componenti perfettamente lineari è impossibile. Chi più, chi meno, tutti i componenti sollecitati in prossimità dei limiti di funzionamento cominciano a sbarellare e assumere comportamenti non lineari. Resistori e condensatori meno di induttori e trasformatori (perché in questi ultimi si usano nuclei magnetici che hanno molto rapidamente comportamenti non lineari) ma, comunque, prima o poi tutti manifestano gli effetti della non linearità. L'effetto principale della non linearità è la generazione di armoniche.

Se facciamo passare in un componente (o, più in generale, in un sistema) non lineare un segnale composto, ad esempio, da tre armoniche a 1000Hz, 2000Hz e 3000Hz troviamo che si aggiungono (magari a basso livello) anche componenti a 4000Hz, 5000Hz e così via.

Maggiore è la non linearità e maggiore è il numero e l'intensità delle armoniche aggiunte. Il rapporto tra armoniche aggiunte e segnale originario prende il nome di distorsione armonica o Total Harmonic Distorsion (THD).

Come immaginerete a questo punto, esistono anche dei componenti attivi. Questi sono in grado, in particolari condizioni (serve un alimentatore) di erogare potenza maggiore di quella che gli viene somministrata.

Il primo componente attivo introdotto sul mercato è l'evoluzione del diodo a vuoto e, con grande sforzo di fantasia, si chiama triodo a vuoto perché ha tre elettrodi. Ai due già esistenti (catodo e anodo) si aggiunge una griglia di controllo.

Questa griglia, opportunamente polarizzata, riesce a variare il flusso di elettroni tra anodo e catodo variando quindi la corrente (ricordate che un flusso di elettroni è una corrente elettrica, vero?) sulla placca. Se la corrente di placca senza il controllo della griglia è di valore opportuno si può fare in modo che la tensione in uscita (circuito di placca) vari in modo analogo alla tensione di ingresso (circuito di griglia) ma abbia una escursione maggiore. Abbiamo appena inventato l'amplificatore (il pre-amplificatore, in realtà)!

L'aspetto di un triodo al lavoro (doppio triodo) è quello della figura che segue:

Negli amplificatori di potenza si usano altre tipologie di valvola con quattro (tetrodo) o cinque (pentodo) elettrodi.

Le valvole hanno alcuni difetti congeniti:

• sono delicate (bulbi di vetro sotto vuoto)
• consumano, disperdendola in calore, molta potenza
• richiedono l'uso di trasformatori in uscita per pilotare gli altoparlanti

Tutti questi difetti sono stati eliminati con l'introduzione del transistor. Questo, nella versione più classica (Bipolar Junction Transistor - BJT), è un dispositivo a semiconduttore (germanio o silicio) ottenuto affiancando due giunzioni PN. Esistono quindi transistor PNP e transistor NPN.

Hanno un funzionamento diverso rispetto alle valvole ma che consente comunque di ottenere gli stessi risultati eliminando gli svantaggi delle valvole elencati sopra. I tre elettrodi si chiamano base, emettitore e collettore e hanno funzione analoga rispetto a, rispettivamente, griglia, catodo e anodo.

Esistono dei dispositivi a semiconduttore che, con un utilizzo furbo della giunzione PN o opportuni strati di ossido, hanno un comportamento molto simile a quello delle valvole. Sono i Junction Field Effect Transistor (JFET) e i Metal-Oxide-Semiconductor FET (MOS-FET). Questi si usano molto spesso per emulare il comportamento delle valvole pur rimanendo nell'ambito dei dispositivi a stato solido. In questo caso gli elettrodi si chiamano gate, source e drain e funzionano esattamente come griglia, catodo e anodo. 

Tutti questi componenti non sono proprio perfetti un po' per le non linearità di cui abbiamo già parlato e un po' per il fatto che il loro comportamento non è proprio sempre ideale. Un resistore si comporta anche un po' da induttore e da condensatore, un induttore è anche un po' resistore e condensatore e, indovinate, un condensatore è anche un po' resistore e induttore. Anche un semplice cavo ha effetti (che si chiamano parassiti) che lo rendono un po' resistore, un po' condensatore e un po' induttore. Tutti i componenti attivi mostrano, invece, capacità e induttanze parassite.

Questi effetti/difetti (insieme alla non linearità) possono essere trascurati nel funzionamento normale ma diventano invece importanti quando si spingono i componenti al limite o perché il livelli dei segnali sono alti o perché le frequenza in gioco si avvicinano ai limiti operativi de dispositivi.

I circuiti elettronici sono realizzati collegando sapientemente i componenti appena descritti. Come capita sempre, però, l'appetito vien mangiando e si cerca di ridurre ingombri e consumi per realizzare dispositivi sempre più efficienti. I circuiti integrati servono proprio a questo.

Grazie alle tecnologie di integrazione sviluppate a partire dal 1959, è possibile combinare più componenti all'interno di una piccola  fetta di silicio (chip). In questo modo si riesce a realizzare componenti che svolgono funzioni complesse occupando poco spazio e consumando poca potenza. Esistono circuiti integrati analogici (amplificatori operazionali, ad esempio), digitali (CPU, Memorie, ecc) e, ovviamente i convertitori A/D e D/A che servono a passare da un dominio all'altro. Considerate che in un circuito integrato ci possono essere milioni di transistor.

Terminata la carrellata sui componenti (ne esistono di altri ma questi sono i principali) la prossima volta vedremo cosa succede quando li colleghiamo tra loro.