Componenti base dell'elettronica

Panoramica sui componenti base dell'elettronica. Per una visione più completa si consiglia di seguire il tutorial L'elettricità - Corso teorico Pratico presente alla pagina dei tutorial in italiano.

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Cavo

Il cavo è il componente basilare e fondamentale di un circuito elettrico. Un cavo permette lo scorrimento libero dell'elettricità al suo interno. Un cavo è utilizzato per connettere tra loro i componenti di un circuito e può essere pensato come quel dispositivo che permette di instradare la corrente elettrica da un componente ad un altro. In questo senso il cavo può essere composto tradizionalmente da un'anima in metallo avvolta da un cavo isolante. Può anche essere, però, una traccia su un circuito stampato o la saldatura a stagno di due componenti - in questo caso con l'assenza di un vero e proprio cavo tradizionale. {Un cavo presenta una certa resistenza al passaggio di corrente elettrica, ma questo fenomeno è talmente infinitesimo che possiamo ignorarne l'effetto}

Cavo fisico

Il cavo fisico (a differenza delle tracce sui circuiti stampati o dei cavi su schemi) può essere diviso in due categorie: rigidi o morbidi. La differenza sta in quanto facilmente il cavo si curva e quanto facilmente si spezza. Tutti i cavi che necessitano flessibilità (ad esempio i cavi audio che vanno alle casse esterne di un PC) dovrebbero essere di tipo morbido. I cavi rigidi sono utilizzati quando non c'è necessità di piegarli e quando questo rende migliore e più ordinato il lavoro con i componenti.

Diametri dei cavi

Il diametro di un cavo può essere misurato tramite il Gauge. Le breadboard sono di solito progettate per utilizzare cavi con diametro di 22 Gauge. Gli ingressi femmina di Arduino non sono progettati per inserirci cavi, ma la cosa funziona ugualmente in situazioni di test e prototipazione. Un cavo di 20 Gauge è probabilmente più saldo nell'ingresso femmina di un cavo da 22 Gauge ma quest'ultimo risulterà comunque funzionante. Si noti che nella misura dei Gauge un valore basso corrisponde ad un cavo più spesso. In commercio si trovano entrambe le tipologie di diametro, si consiglia di scegliere i cavi a 22 Gauge per l'Arduino e le breadboard.

Se hai bisogno di una quantità elevata di cavi per breadboard puoi ottenerli a costo quasi nullo e in molti colori comprando doppini telefonici. Controlla che i doppini siano di cavi rigidi poiché entrambi sono in vendita. Sul sito di R.S. si trovano nella sezione "home improvements" e di solito sono a 24 Gauge, ovvero una dimensione più piccola dell'ideale, le estremità andrebbero quindi curvate su se' stesse per avere delle connessioni affidabili sugli ingressi femmina dell'Arduino.

Vecchi computer sono una risorsa di cavi morbidi in vari diametri e colori che sono molto utili per connettere piccoli progetti elettronici. Cercali in tutti i rifiuti elettronici!

Breadboard

La Breadboard è un dispositivo che facilita la costruzione e il test dei circuiti. Tipicamente sono utilizzate per fare prototipazione del design dei circuiti.

La Breadboard si può presentare come una basetta di plastica con una griglia di fori in cui si possono inserire i componenti o i cavi. I componenti fanno contatto elettrico con delle strisce di metallo conduttivo presenti sul fondo della basetta. In questo modo non è necessario saldare ogni singolo componente. Di solito ai due lati della Breadboard sono presenti due colonne per lati identificate da due strisce colorate (rosso per il +, blu per il -) a cui di solito si connette l'alimentazione e la massa. In questo modo si hanno sempre a disposizione (in entrambi i lati) il polo positivo e il polo negativo del circuito a cui collegare i componenti.

Alimentatore

L'alimentatore è un dispositivo che fornisce una sorgente di potenza elettrica per un circuito. Un alimentatore genera una differenza di potenziale (che si misura in Volt) tra i due pin di uscita. La misura del voltaggio e della corrente che è fornita differisce da dispositivo a dispositivo.

Alcuni tipi di alimentatore sono:

  • Alimentatore converte la corrente alternata (AC) in corrente continua (DC)
  • Batteria dispositivo che produce energia attraverso reazioni chimiche che avvengono all'interno del contenitore. Queste sono reazioni note e permettono di sapere quanti Volt di tensione e quanti Ampere di corrente produce.
  • Alimentatore a muro tipicamente è un dispositivo che si connette ad una presa a muro e converte la corrente alternata che proviene dalla rete elettrica in corrente continua con determinato voltaggio e amperaggio.
  • Cella solare converte la luce in corrente e tensione. Questi due parametri possono variare in base all'intensità della luce.

Resistenza

La resitenza è un dispositivo che oppone resistenza al passaggio dell'elettricità. La resistenza di questo flusso può essere usato per limitare la corrente che passa in un componente elettrico. L'abilità del dispositivo di resistere al passaggio di corrente elettrica è misurata in Ohm [R] o [Capital Omega].

Condensatore

Un condensatore è un dispositivo che può accumulare e rilasciare energia in un circuito. Tipicamente un condensatore è formato da due lastre cariche con un materiale isolante tra esse il quale ha il compito di evitare che si perda la carica elettrica accumulata. Questi dispositivi possono essere utilizzati per regolare e smussare i segnali in un circuito. Grandi condensatori possono essere utilizzati come riserva di corrente. La loro abilità di immagazzinare carica è misurata in Farad [F].

Induttore

Un induttore è un dispositivo che immagazzina energia elettrica in un campo magnetico. Un induttore è formato da un cavo a spirale. Quando viene fatta passare corrente elettrica attraverso il cavo viene generato un campo magnetico. Quando la corrente aumenta, viene immagazzinata più energia nel campo magnetico; quando la corrente diminuisce l'energia è rilasciata come potenza elettrica. Un induttore può essere utilizzato per smussare o filtrare le brusche variazioni di corrente elettrica, più o meno come può fare il condensatore. L'abilità di un induttore di immagazzinare energia elettrica è misurata in Henry [H].

Diodo

Un diodo è un dispositivo che permette il passaggio della corrente elettrica in una sola direzione. Questi componenti sono spesso usati per isolare l'effetto di un componente su un altro. Alcuni tipi di diodi:

  • Diodo che emette luce (LED, Light Emitting Diode)
  • Fotodiodo, rileva la luce
  • Diodo laser, emette un fascio di luce laser
  • Diodo Zener, impedisce il flusso di corrente sopra una certa soglia

LED

Un LED è un diodo che genera una specifica lunghezza d'onda di luce quando una tensione è applicata ai suoi capi. Questa tensione è conosciuta come "forward voltage" del LED. La luminosità del LED varia a seconda della variazione della corrente elettrica.

Un LED non ha una limitazione di corrente, percui applicare una tensione più alta rispetto alla sua tensione limite "forward voltage" causerà il surriscaldamento del LED con eventuale rottura dello stesso. Spesso questo comportamento danneggia il LED, ma non gli impedirà di accendersi ancora in futuro, di sicuro non sarà più luminoso come lo era da fabbrica.

Limitatore di corrente

Il modo più semplice per limitare la corrente di un LED è di utilizzare una resistenza in serie al LED stesso. Per calcolare il valore corretto della resistenza è necessario utilizzare la Legge di Ohm che permette di stabilire la corrente elettrica che passa attraverso la resistenza, questo risulta più facile che calcolare la corrente che passa nel LED perché la corrente che passa in un circuito è la stessa qualsiasi sia il punto del circuito che vado a misurare: la corrente che passa nella resistenza è la stessa che passa nel LED.

Esempio

Un LED verrà alimentato a 5V (Volt). Leggendo nello schema di fabbrica del LED, comunemente noto come "datasheet" si legge che la sua "forward voltage" è pari a 3V. La resistenza in serie con il LED avrebbe quindi 5V-3V=2V di tensione ai suoi capi.

Per far passare 20mA (milliAmpére) attraverso il LED (valore comune per permettere l'accensione) si applica la legge di Ohm come mostrato di seguito.

V = IR

V= tensione in volt I = corrente in ampére R = resistenza in ohm

2V / 0.02A = 100 ohm

Quindi, utilizzando una resistenza da 100 Ohm in serire con il LED lo accenderà con uan corrente di 0.02A ovvero 2 milliampere

Posso qundi mettere un LED direttamente su Arduino senza resistenza?

Si, puoi farlo, ma questa non è una buona prassi: un pin dell'ATMega (montato sull'Arduino) può fornire fino a 40 milliampere che non è sufficiente per danneggiare i LED standard. La scelta migliore rimane comunque inserire una resistenza in serie con un valore compreso tra i 100Ohm e i 1000Ohm, connessa tra il LED e massa.

Bottone

Un bottone è un dispositivo che permette di chiudere o aprire il flusso elettrico in un circuito attraverso la commutazione del bottone. I bottoni sono presenti in vari tipi e configurazioni. Il tipo più comune è l'interruttore temporaneo. Quando una forza è applicata al bottone, il bottone chiude la connessione (questa tipologia è nota come "NO", "normally open switch") o interrompe la connessione (tipologia nota come "NC", "normally closed switch"). Questi dispositivi possono essere utili per interrompere segnali che vanno verso gli input del microcontrollore (Arduino).

Transistor

Un transistor è un dispositivo che limita o facilita il passaggio di corrente tra i suoi due contatti in base alla presenza o assenza di corrente su un terzo contatto. I pin di un transistor sono quindi tre: Collettore, Emettitore e Base.

il Collettore e l'Emettitore sono in pratica l'input e l'output del transistor
la Base, in pratica è l'innesco

I due tipi di trasistor più comuni sono:

  • PNP - questo transistor lascia passare corrente (dall'Emettitore al Collettore) se la tensione alla Base è minore della tensione dell'Emettitore
  • NPN - lascia passare corrente (dal Collettore all'Emettitore) se la tensione alla Base è maggiore della tensione dell'Emettitore

Gli usi più comuni dei transistor sono relativi all'uso come interruttori attivati dalla corrente elettrica, oppure come amplificatori della corrente in uscita.

Relé

Un relé è un dispositivo che completa la connessione tra due contatti attraverso un movimento meccanico. Può utilizzare un solenoide per muovere magneticamente un interruttore di contatto. Un segnale è inviato al relé che può essere usato come sorgente dell'elettromagnete. Spesso sono utilizzati come meccanismi di cambio tra una corrente di comando proveniente da un circuito a corrente continua a bassa tensione (DC) verso un interruttore che apre e chiude un circuito in corrente alternata (AC) o in corrente continua ad alta tensione. In questo modo è possibile isolare la parte più sensibile del circuito (quella a bassa tensione continua) da componenti più grandi.

Attuatori

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