Electronic

Ciao a tutti questo corso e stato dedicato alle persone che vogliono apprendere L’elettronica

Resistori

Definizione: Componenti elettronici che offrono resistenza elettrica,la resistenza elettrica si misura in OHM il simbolo è “Ω”.
Per conoscere il valore dei resistori si utilizza un codice a colori.

Colore	1° Anello	2° Anello	3°Anello	4° Anello
	Cifra 1	Cifra2	Moltiplicatore	Tolleranze
-	-	-	-	± 20%
argento	-	-	10-2	± 10%
oro	-	-	10-1	± 5%
nero	0	0	100	-
marrone	1	1	101	± 1%
rosso	2	2	102	± 2%
arancio	3	3	103	-
giallo	4	4	104	-
verde	5	5	105	± 0,5%
blu	6	6	106	± 0,25%
viola	7	7	107	± 0,1%
grigio	8	8	108	± 0,05%
bianco	9	9	109	-

Resistore a quattro anelli colorati

Es.
1°anello 2°anello 4°anello

colore : viola giallo verde
valore dei colori 7 4 10×5

Risultato 7400000

La resistenza elettrica che offrono i resistori non è sempre uguale.Quindi per riuscirla a calcolare bisogna usare il 4° anello “La tolleranza“. “La percentuale e il valore della tolleranza ” (percentuale ORO ±5 )

Es.

Valore percentuale = valore nominale × percentuale = 7400000×5 = 370000 Ω
100 100
Per trovare la tolleranza bisogna fare :

valore nominale - il valore percentuale=valore minimo

valore nominale + il valore percentuale=valore massimo

se avete capito ecco a voi un esercizio

Grandezze Elettriche Fondamentali

RESISTENZA

simbolo  Ω

MegaOHM il cui simbolo è MΩ

KiloOHM il cui simbolo è KΩ

OHM il cui simbolo è Ω

FORZA ELETTRO MOTRICE “t.e.m”

simbolo  V

MegaVolt il cui simbolo è Mv

KiloVolt il cui simbolo è Kv

Volt il cui simbolo è V

MilliVolt il cui simbolo è mv

MicroVolt il cui simbolo è μv

CORRENTE ELETTRICA

simbolo  I

MegaAmpére il cui simbolo è Ma

KiloAmpére il cui simbolo è Ka

Ampére il cui simbolo è A

MilliAmpére il cui simbolo è ma

MicroAmpére il cui simbolo è μa

POTENZA ELETTRICA

simbolo  P

MegaWatt il cui simbolo è Mw

KiloWatt il cui simbolo è Kw

Watt il cui simbolo è W

MilliWatt il cui simbolo è mw

MicroWatt il cui simbolo è μw

FREQUENTA

simbolo  F

GigaHertz il cui simbolo è MHz

MegaHertz il cui simbolo è MHz

KiloHertz il cui simbolo è KHz

Hertz il cui simbolo è Hz

CAPACITA’

simbolo  C

FaradFarad il cui simbolo è F

MilliFarad il cui simbolo è mf

MicroFarad il cui simbolo è μf

NanoFarad il cui simbolo è nf

PicoFarad il cui simbolo è pf

Per misurare le grandezze delle resistenze bisogna sapere l’ EQUIVALENZE

Esercizi

Risolvete le seguenti equivalenze :

1) 820 KΩ=MΩ

2)100KH=H

3)8,5mw=W

4)6,8ma=A

5)33MΩ=Ω

6)1,5nf=μf

7)680mw=Kw

8)105Kh=H

9)4,7Gh=Mh

10)5,387Kw=W

componente passivo

Si definisce componente passivo un elemento, inserito nei circuiti elettrici, che non dissipa energia termica. Infatti, un componente passivo non si riscalda se attraversato da corrente (mentre invece i componenti attivi si scaldano, dissipando calore).Mentre il più comune componente attivo è costituito dal resistore, i componenti passivi sono principalmente due: l’induttore e il condensatore.Un componente passivo, se attraversati da corrente, non dissipano potenza attiva, bensì dissipano un altro tipo di potenza, che si chiama potenza reattiva (che si misura in VAR, Volt Ampere Reattivi).

Condensatori

Simbolo grafico dei condensatori

Esistoni vari tipi di condensatori :

Condensatori elettronici

Quando sono necessarie capacità estremamente elevate si devono utilizzare condensatori elettrolitici. I condensatori elettrolitici sono composti da un elettrodo (anodo), sul quale viene formato uno strato di ossido con elevata costante dielettrica che funge da isolante. L’altro elettrodo (catodo) è costituito da un elettrolita, un fluido elettricamente conduttore di solito formato da una soluzione salina od acida, e da un secondo elettrodo metallico che, nella maggior parte dei casi, coincide con il contenitore stesso. In quest’ultimo caso, l’involucro metallico esterno stabilisce il collegamento tra l’elettrolita ed il terminale negativo del condensatore. Lo spessore dello strato di ossido varia in funzione della tensione di lavoro, e normalmente assume valori dell’ordine degli 0,001 µm. Il piccolo spessore dello strato, e la sua costante dielettrica relativamente elevata, permettono di ottenere valori capacitivi molto elevati. I condensatori elettrolitici possono essere a base di alluminio o di tantalio.Nei condensatori elettrolitici non è presente un materiale dielettrico, ma l’isolamento è dovuto alla formazione e mantenimento di uno sottilissimo strato di ossido metallico sulla superficie di una armatura. A differenza dei condensatori comuni, la sottigliezza dello strato di ossido consente di ottenere molta più capacità in poco spazio, ma per contro occorre adottare particolari accorgimenti per conservare l’ossido stesso. In particolare è necessario rispettare una precisa polarità nella tensione applicata, altrimenti l’isolamento cede e si ha la distruzione

La capacità di un condensatore elettrolitico non è definita con precisione come avviene nei condensatori a isolante solido. del componente. Inoltre nei condensatori elettrolitici è presente una soluzione chimica umida che se dovesse asciugare porterebbe al non funzionamento del dispositivo. Per consentire l’utilizzo dei condensatori elettrolitici in corrente alternata si usa connettere due condensatori identici in antiserie, ovvero connessi in serie ma con polarità opposta.

Tipi di condensatori elettrolitici:

Condensatore elettrolitico di alluminio	Ossido di alluminio	Capacità molto grande in rapporto del volume, economico, polarizzato. Le applicazioni primarie sono di livellamento nei gruppi di alimentazione.	La perdita dielettrica è alta, grandi resistenza ed induttanza interne e limita delle prestazioni ad alta frequenza, stabilità in temperatura insufficiente. Può esplodere o bruciare se sovraccaricato e/o surriscaldato. Limitato a circa 500 volt.
Condensatore al Tantalio	Ossido di tantalio	Grande capacità in rapporto al volume, formato più piccolo , buona stabilità, larga gamma di temperatura di funzionamento , durata di funzionamento più lunga rispetto al condensatore elettrolitico. Usato estesamente in attrezzature e calcolatori miniaturizzati. Disponibile sia nelle varietà polarizzate che non polarizzate. I condensatori di tantalio hanno caratteristiche migliori rispetto al condensatore elettrolitico.	Costo più alto che i condensatori elettrolitici di alluminio. Tensione limitata a circa 50 volt. Esplode abbastanza violentemente quando si supera la tensione di lavoro, o quando una versione polarizzata è sottoposta a tensione inversa.
Condensatori elettrolitici a doppio-strato (EDLC) Supercapacitors	Strato sottile dell’elettrolita a carbonio attivato	Capacità estremamente grande al rapporto del volume, basso ESR . Disponibile nelle centinaia, o nelle migliaia, di farad. Una tecnologia relativamente nuova del condensatore. Usato spesso per fornire temporaneamente alimentazione ad apparecchiatura durante il rimontaggio della batteria. Polarizzato, tensione di funzionamento bassa. I gruppi delle cellule sono impilati per fornire l’più alta tensione generale di funzionamento.	Costo relativamente alto.
Ultracondensatori o ad aerogel	Aerogel di carbonio	Eccellenti condensatori cilindrici di capacità ultraelevata destinati per uso complementare nel campo automobilistico, basso ESR. La capacità va da 1F fino a 3000F. Questa combinazione della capacità ultraelevata e l’ESR molto basso fanno i componenti estremamente versatili .	Costo relativamente alto.

ESR

ESR è la somma delle resistenze in corrente alternata (comprese la resitenza del dielettrico, della armatura, della soluzione elettrolitica e dei terminali elettrici) misurata ad una frequenza di 100 Hz a 20°C.

ESR si comporta come un resistore in serie ad un condensatore da qui il nome (Resistore in Serie Equivalente).Questo resistore può provocare errori in circuiti che risultano corretti in fase di progettazione ed è spesso la causa di insuccesso dei circuiti con condensatori.

Per caricare il materiale dielettrico la corrente ha bisogno di scorrere attraverso i conduttori elettrici, attraverso le armature, attraverso i metalli stessi e anche attraverso il materiale dielettico.

Le perdite dielettrche possono essere viste come l’attrito dei poli che si allineano e, di conseguenza potrebbero apparire come un aumento di ESR misurati come aumenti di frequenza.

A mano a mano che lo spessore del dielettrico aumenta, aumenta anche l’ESR.

Testare l’ESR di un condensatore richiede una strumentazione diversa dal misuratore di capacità.

Condensatori al TANTALIO

Sono anch’essi dei condensatori polarizzati, ma in essi il dielettrico è costituito da pentossido di tantalio (fig.2: Tant.). Sono superiori ai precedenti come stabilità alla temperatura ed alle frequenze elevate; sono tuttavia più costosi e la loro capacità non raggiunge valori molto elevati. Come i precedenti, devono essere montati in circuito osservando la polarità indicata in prossimità dei terminali.

Altri tipi di condensatori

Tranne i condensatori elettrolitici e quelli al tantalio, tutti gli altri condensatori non sono polarizzati, per cui possono essere montati indifferentemente in circuito in un verso o nell’altro, e funzionare anche in assenza di una tensione continua di polarizzazione.Esistono tanti tipi di condensatori, realizzati con tecnologie e dielettrici diversi. In figura 3 ne sono illustrati alcuni:

a- radiale in poliestere (mylar)

b- ceramico a disco
c- assiale in polipropilene
d- in poliestere metallizzato

- I condensatori in poliestere vengono prodotti fino a capacità di qualche µF e per tensioni di lavoro fino a 1000 V; sono più adatti per l’impiego in bassa frequenza.
- I condensatori in poliestere metallizzato sono di buona qualità e stabilità rispetto alla temperatura.

– I condensatori in polipropilene consentono valori di capacità più precisi, con tolleranze di circa l’ 1%; sono adatti ad un campo di frquenze fino a 100kHz.
– I condensatori con dielettrico in policarbonato si trovano con valori di capacità fino a 10 µF e per tensioni di circa 400 V; presentano una capacità molto costante, per cui possono essere vantaggiosamente utilizzati nei circuiti oscillanti.
– Sempre indicati per l’uso in circuiti oscillanti sono i condensatori in polistirolo, caratterizzati dal valore costante di capacità e reperibili per valori fino ad 1 µF
– I condensatori ceramici sono utilizzati in genere per le alte frequenze. Possono essere del tipo ad elevata costante dielettrica, così da consentire di ottenere alte capacità con ingombro limitato, oppure del tipo a bassa costante dielettrica, caratterizzati dalla capacità stabile e da perdite molto basse; per tale motivo vengono impiegati nei circuiti oscillanti di precisione. In merito all’aspetto, possono presentarsi nella classica forma a disco, o nella vecchia forma di un tubetto con i terminali alle due estremità. I ceramici a disco sono molto usati in parallelo agli elettrolitici, per fugare a massa le alte frequenze.
– I condensatori a mica argentata sono altamente stabili ed hanno un buon coefficiente di temperatura; sono utilizzati per applicazioni di precisione, nei circuiti risonanti, nei filtri di frequenze e negli oscillatori ad alta stabilità.

Il diodo come raddrizzatore

In elettrotecnica ed elettronica un raddrizzatore o rettificatore è un dispositivo che serve a raddrizzare un segnale bipolare (bidirezionale), e quindi a trasformarlo in un segnale unipolare (monodirezionale). Il raddrizzatore, collegato ad altri componenti, è usato per trasformare la corrente alternata in corrente continua.

Raddrizzatore ad una semionda

Il metodo più semplice per raddrizzare una corrente è l’impiego di un diodo a semiconduttore o a vuoto, un raddrizzatore al mercurio o altri dispositivi simili. In questo caso viene lasciata passare una sola semionda di tensione, mentre quando è presente la semionda opposta, il diodo entra in interdizione e non si ha passaggio di corrente.

Questa soluzione genera un segnale molto difficile da rettificare fino ad ottenere una corrente costante ed è causa di notevole rumore elettrico. Secondo problema, ma non per importanza, il fatto che – eliminando tutte le semionde negative – si ha un’immediata perdita netta del 50% della potenza d’ingresso.

Raddrizzatore a doppia semionda

Utilizzando un trasformatore con il secondario dotato di una presa a metà avvolgimento è possibile ottenere due tensioni sfasate di 180°, che possono essere singolarmente raddrizzate per mezzo di due diodi. La tensione totale del secondario deve essere doppia rispetto a quella necessaria per il raddrizzamento ad una semionda oppure a ponte di diodi.

Raddrizzatore a ponte di diodi

Ponti raddrizzatori usati in elettronica

Schema di ponte raddrizzatore

Adottando quattro diodi disposti in configurazione a ponte di Graetz, è possibile ottenere un segnale che è la somma di una semionda positiva più la semionda negativa capovolta (doppia semionda). Questa soluzione, molto usata negli alimentatori, rende molto più semplice il successivo filtraggio e livellamento della tensione fino ad ottenere una corrente continua, non richiedendo peraltro un trasformatore con doppio avvolgimento. Principale svantaggio di questo metodo è di avere una caduta di tensione pari a quella di due diodi in serie, quindi anche oltre 2 volt. Nel raddrizzare tensioni molto piccole si ha quindi una perdita e una distorsione eccessive.

Una configurazione simile costituita da sei diodi permette di raddrizzare una tensione trifase impiegando tutte e tre le fasi (anche più di tre in un sistema polifase, usando un numero opportuno di diodi).

Schema di raddrizzatore per sistema trifase

Rendimento energetico

Ciascun diodo, quando è attraversato da corrente, presenta una caduta di potenziale ai suoi capi relativamente costante. Per i diodi al silicio questo valore è intorno ad 0,7-1 volt. La potenza dissipata da ciascun diodo è data dalla tensione presente ai suoi capi per la corrente che lo attraversa. Poiché in un ponte raddrizzatore, durante ogni semionda, conducono due diodi, la potenza totale è pari al doppio di quella dissipata da un singolo diodo.

Esempio: supponendo una caduta di 1 V, con una corrente efficace di 10 A, ciascun diodo dissipa 10 W. Poiché due diodi conducono in ogni istante, la potenza totale continua dissipata è di 20 W, che vanno sottratti alla potenza in entrata per ottenere il valore di potenza erogata in uscita. Si intuisce inoltre che i dispositivi raddrizzatori devono essere generalmente raffreddati per mezzo di alette metalliche ed eventualmente ventilatori, a meno che le correnti non siano limitate a pochi ampere. Nei più grandi apparati di raddrizzamento il raffreddamento è spesso svolto da un circuito idraulico.

Ingegnerizzazione

Un ponte raddrizzatore può essere realizzato collegando opportunamente diodi semplici, ma esiste un commercio una grande varietà di dispositivi integrati pronti all’uso. La soluzione a diodi singoli è particolarmente indicata per correnti elevate, poiché facilita lo smaltimento del calore.

Il raddrizzatore può ricevere la corrente alternata da un trasformatore riduttore o direttamente dalla rete elettrica. Il segnale pulsante in uscita da un raddrizzatore può essere considerato come la sovrapposizione di una componente alternata e una componente continua che ne trasla il valore medio. Per questo, per livellare la corrente continua prodotta, si pone all’uscita del raddrizzatore un circuito RC passa basso, che ha lo scopo di sopprimere la componente alternata. Spesso la resistenza non è aggiunta, ma costituita dalle resistenze interne dei conduttori, dei diodi e del condensatore.

Per avere un’idea di massima della tensione livellata si usa la formula:

dove V_eff è la tensione efficace in entrata al raddrizzatore. Per esempio, da una tensione alternata efficace di 12 V si ottiene un valore di picco di 17 V, che è destinato a scendere con l’applicazione di un carico e a cui vanno sottratte le cadute di tensione date dai diodi in conduzione, circa 1,5-2 V in totale.

Sia nel caso di raddrizzatori ad una semionda che a due semionde, i parametri da considerare per la scelta del dispositivo sono:

• Tensione massima nominale: ciascun diodo deve sopportare senza guastarsi una tensione inversa pari alla tensione di picco. Comunemente sono usati diodi con tensioni di breakdown di oltre 1 kV.
• Corrente massima nominale: questo parametro è funzione della potenza del dispositivo usato. Si tratta della corrente sopportata con continuità supponendo che il dispositivo sia correttamente raffreddato. Sono possibili momentanee sovracorrenti, per esempio all’accensione durante la carica dei condensatori.

Raddrizzatore di precisione

Qualora il segnale da raddrizzare abbia una tensione molto bassa, la tensione di caduta del diodo non è trascurabile. Poiché la conduzione inizia solamente dopo il superamento del valore di soglia, segnali inferiori vengono del tutto soppressi. Anche oltre la soglia, la caduta di tensione è sottratta al segnale.

Per ovviare a questo inconveniente, negli strumenti di misura e altri dispositivi dove sia richiesta una rettificazione precisa del segnale, si usano diodi inseriti nel circuito di retroazione di un amplificatore operazionale (figura a lato).

In questo circuito l’amplificatore lavora come inseguitore, portando il valore di V_o allo stesso valore di V_i. Perché questa condizione si verifichi occorre che:

dove V_d è la caduta di tensione sul diodo e G è il guadagno dell’amplificatore operazionale. Poiché solitamente G è nell’ordine delle centinaia di migliaia o milioni, la tensione di soglia è ridotta di un equivalente fattore rispetto alla tensione di caduta.

diodo zener

Un diodo zener è un tipo di diodo che permette alla corrente elettrica di fluire in direzione diretta come in un normale diodo, ma anche in direzione opposta, se la tensione è maggiore di una soglia detta tensione di breakdown, detta anche “tensione di ginocchio dello zener”. Prende nome da Clarence Zener, scopritore di questa proprietà elettrica. Viene tipicamente utilizzato per stabilizzare la tensione in un circuito al livello della tensione di breakdown. Può stabilire anche la tensione solo in una parte del circuito, basta che si metta in parallelo al carico che si vuol stabilizzare.

Un normale diodo allo stato solido non è percorso da una corrente significativa fino a quando la tensione inversa applicatagli è minore della tensione di breakdown. Nel momento che tale valore è stato raggiunto, un diodo normale è soggetto ad un forte passaggio di corrente dovuto al cosiddetto effetto valanga. A meno che tale corrente sia limitata da un dispositivo esterno ciò causerà il danneggiamento permanente del diodo. Un diodo zener manifesta quasi le stesse proprietà, a parte che il dispositivo è progettato appositamente per mantenere una tensione di breakdown estremamente ridotta, nota come tensione di Zener.

La stabilità in temperatura è il maggior parametro prestazionale di un diodo zener, con un’opportuna selezione è possibile ottenere diodi aventi uno scostamento del valore della tensione di zener per variazioni di un grado C° di temperatura, contenuto in 2 parti per milione. Tramite un’analoga selezione è possibile disporre di valori di tensione di zener, con precisione ai centesimi di volt; diodi con queste caratteristiche, dispositivi custom fuori commercio, sono presenti in apparecchiature elettroniche degli anni 70-80, come ad esempio alcuni alimentatori od oscilloscopi HP.

Il trasformatore

Il trasformatore è una macchina elettrica statica (perché non contiene parti in movimento) appartenente alla categoria più ampia dei convertitori. In particolare il trasformatore consente di convertire i parametri di tensione (simbolo V unità di misura [V] volt) e corrente (simboli I unità di misura [A] ampere) in ingresso rispetto a quelli in uscita, pur mantenendo costante la quantità di potenza elettrica (a meno delle perdite per effetto dell’isteresi e delle correnti parassite). Il trasformatore è una macchina in grado di operare solo in corrente alternata, perché sfrutta i principi dell’elettromagnetismo legati ai flussi variabili.
Il trasformatore ha importanza fondamentale nel mondo di oggi: senza di esso le grandi reti di trasporto dell’energia elettrica che collegano le centrali elettriche a milioni di industrie e di case non potrebbero funzionare.

Le enormi quantità di energia elettrica richieste dalla società moderna fanno sì che questa debba essere prodotta in grandi quantità presso centri di produzione denominati centrali elettriche. Un parametro utile per determinare la dimensione e la quantità di energia prodotta da una centrale è la potenza (simbolo P unità di misura W) la quale può variare dalle decine di kW (1 kW = 1000 W) di piccole centrali idroelettriche o solari alle centinaia di MW (1 MW = 1.000.000 W) delle grandi centrali termoelettriche e nucleari. Questa energia deve essere trasportata anche per centinaia di km. La potenza elettrica è legata in maniera diretta ai parametri di tensione e corrente, secondo la formula

dove , detto fattore di potenza, è il correttivo dovuto allo sfasamento.Ciò significa che a parità di potenza aumentando la tensione V diminuisce la corrente I (e si deve mantenere più vicino possibile al valore unitario. Vedi la voce Rifasamento). Ciò è molto importante in quanto la corrente I genera al suo passaggio nei conduttori elettrici calore (Effetto Joule), più la corrente è alta e più calore si genera; per ovviare a questo bisogna aumentare la sezione dei conduttori, ma viene da sé che c’è un limite economico e tecnologico nel dimensionamento delle linee elettriche, legato anche al fenomeno della caduta di tensione delle linee stesse. Al fine quindi di abbassare la corrente I si effettua una trasformazione aumentando la tensione V a parità di potenza P. Naturalmente diminuendo le distanze da percorrere e la potenza da trasportare viene anche meno l’esigenza di avere tensioni alte, se a questo si associa l’altra esigenza che è quella di avere per l’uso domestico e industriale un livello di tensione compatibile con le esigenze di sicurezza ne conviene che dalla produzione alla distribuzione è opportuno effettuare un numero adeguato di trasformazioni verso tensioni più basse.
La macchina che si occupa di effettuare tali trasformazioni è appunto il trasformatore. A titolo di esempio citiamo alcune delle tensioni tipiche di esercizio degli impianti elettrici ovvero:

• 230 V – tensione per usi domestici
• 400 V – tensione per uso industriale
• 15/20 kV (15.000 ÷ 20.000 V) tensione di esercizio delle reti elettriche di distribuzione secondaria (Lunghezza alcune decine di km)
• 132/150/220/380 kV tensione di esercizio delle linee elettriche di distribuzione primaria (Lunghezza alcune centinaia di km)
• 0,5/1 MV tensione di esercizio delle linee elettriche di interconnessione su lunghissime percorrenze (Lunghezza alcune migliaia di km)

Costruzione e principio di funzionamento

Il trasformatore più semplice è costituito da due conduttori elettrici (solenoidi) avvolti su un anello di materiale ferromagnetico detto nucleo magnetico. L’avvolgimento al quale viene fornita energia viene detto primario, mentre quello dalla quale l’energia è prelevata è detto secondario. I trasformatori sono macchine reversibili, per cui questa classificazione non corrisponde ad un avvolgimento fisico unico.

Quando sul primario viene applicata una tensione elettrica alternata sinusoidale, per effetto dell’induzione magnetica si crea nel nucleo un flusso magnetico con andamento sinusoidale. Per la legge di Faraday-Neumann-Lenz, questo flusso variabile induce nel secondario una tensione sinusoidale.

La tensione prodotta nel secondario è proporzionale al rapporto tra il numero di spire del primario e quelle del secondario secondo la relazione:

dove V_p è la tensione applicata sul primario, V_s la tensione indotta sul secondario, N_p il numero di spire del primario e N_s il numero di spire del secondario, n è chiamato rapporto di trasformazione.
Per una tensione sinusoidale di ampiezza massima E_m il valore efficace E vale:

Trascurando le perdite, la relazione tra tensione, numero di spire, intensità di flusso e sezione del nucleo è data dalla relazione:

Dove E è il valore efficace (RMS) della tensione indotta, f è la frequenza in Hertz, N è il numero di spire dell’avvolgimento al quale si fa riferimento, S è la sezione del nucleo (in m²) e B è il valore dell’induzione in Tesla.

Transistor a giunzione bipolare

In un transistor BJT (transistor a giunzione bipolare) una corrente elettrica è inviata nella base (B) e modula (controlla) la corrente che scorre tra gli altri due terminali noti come emettitore (E) e collettore (C).

Per fare questo, il transistor sfrutta la vicinanza di due giunzioni P-N opposte: quando la giunzione base-emettitore viene polarizzata direttamente, i portatori di carica (elettroni e lacune) che transitano attraverso di essa diffondono verso la vicina giunzione collettore-base, dove vengono in gran parte catturati dal campo elettrico interno alla giunzione stessa, che in questo modo viene percorsa da corrente anche se polarizzata inversamente. Tanto maggiore è la frazione di corrente catturata dalla giunzione di collettore, tanto migliore è il transistor: in un transistor ideale, perfetto, tutta la corrente che entra dall’emettitore dovrebbe essere deviata verso il collettore senza raggiungere mai il contatto di base. In pratica, in un normale transistor per usi generici la corrente uscente dal collettore è il 98-99% di quella che entra nell’emettitore, e dalla base esce solo l’1-2% di essa. Il rapporto fra corrente di collettore e corrente di base è detto del transistor, ed è uno dei parametri fondamentali di questo dispositivo.

L’ordine delle giunzioni non è importante: si possono usare sia una coppia di giunzioni P-N e N-P (ottenendo un transistor P-N-P) oppure due giunzioni N-P e P-N (ottenendo un transistor N-P-N, complementare al primo): un transistor e il suo complementare funzionano in modo quasi identico, ma le tensioni ai loro capi devono essere invertite di polarità (da positive a negative e viceversa).

Induttore

L’induttore è un componente elettrico che genera un campo magnetico al passaggio di corrente elettrica (continua o alternata od impulsiva).

Nella teoria dei circuiti l’induttore è un componente ideale (la cui grandezza fisica è l’induttanza) in cui tutta l’energia elettrica assorbita è immagazzinata nel campo magnetico prodotto. Gli induttori reali, realizzati con un avvolgimento di un filo conduttore, presentano anche fenomeni dissipativi e capacitativi di cui si deve tenere conto.

Gli induttori sono impiegati in una varietà di dispositivi elettrici ed elettronici, tra i quali i trasformatori ed i motori elettrici nonché in svariati circuiti a corrente alternata ad alta frequenza.Un induttore è costituito da un avvolgimento di materiale conduttivo, generalmente filo di rame ricoperto da una sottile pellicola isolante. Per aumentare l’induttanza si usa spesso realizzare l’avvolgimento su un nucleo di materiale con elevata permeabilità magnetica (ad es.: ferriti). Un induttore può anche essere inserito in un circuito integrato. In questo caso comunemente si usa l’alluminio come materiale conduttore. È, tuttavia, raro che un induttore sia inserito in un circuito integrato: limiti pratici rendono molto più comune l’uso di un circuito chiamato “giratore” che usa un condensatore per simulare il comportamento di un induttore. Piccoli induttori usati per frequenze molto alte sono talvolta realizzati con un semplice filo che attraversa un cilindro o una perlina (piccolo anello) di ferrite.

L’energia immagazzinata nell’induttore (misurata in Joule nel SI) è uguale alla quantità di lavoro richiesta per ottenere la corrente che scorre in esso e, quindi, per generare il campo magnetico. Questa è data da:

dove I è la corrente che scorre nell’induttore e L l’induttanza.

Un induttore si oppone solo alle variazioni di corrente. Se fosse ideale non presenterebbe nessuna resistenza alla corrente continua se non quando viene attivata e quando viene tolta (in questi fenomeni transitori l’induttore tende a smorzare le variazioni della corrente). Ma l’induttore reale presenta una resistenza elettrica non nulla e, quindi, il circuito in cui è inserito spende energia anche per mantenere una corrente costante che non varia il campo magnetico creato, ma si dissipa nella resistenza presentata dal filo di rame. In generale, trascurando i fenomeni parassiti (resistenza e capacità), la relazione tra la tensione applicata agli estremi dell’induttore con induttanza L e la corrente i(t) che varia nel tempo e scorre nell’induttore è descritta dall’equazione differenziale:

Se una corrente alternata sinusoidale scorre nell’induttore, una tensione alternata (o forza elettromotrice, abbr. f.e.m.) viene indotta. L’ampiezza della f.e.m. è correlata con l’intensità della corrente e con la frequenza delle sinusoidi dalla seguente equazione:

dove ω è la pulsazione della sinusoide legata alla frequenza f da:

ω = 2πf

Si definisce reattanza induttiva (dimensionalmente uguale alla resistenza ed alla reattanza capacitiva) la:

X_L = ωL = 2πfL

dove X_L è la reattanza induttiva, ω è la pulsazione, f è la frequenza Hertz, e L è l’induttanza.

La reattanza induttiva è la componente immaginaria positiva dell’impedenza. L’impedenza complessa di un induttore è data da:

Z = jωL = j2πfL

dove j è l’unità immaginaria.

Reti di induttori

Se vi sono più induttori in parallelo nell’ipotesi che la mutua induzione tra di loro sia trascurabile, sono equivalenti ad un unico induttore con induttanza equivalente (L_eq):

Infatti la corrente che viene iniettata su tale rete si distribuisce tra in vari induttori in maniera tale che il prodotti delle le loro induttanze per le correnti che li attraversino siano eguali, Questo in virtù del fatto che se la corrente iniettata varia nel tempo, la differenza di potenziale ai capi dei vari induttori deve essere eguale.

Se consideriamo induttori in serie La corrente che li attraversa è la stessa, se la loro mutua induzione è trascurabile, il flusso concatenato all’insieme degli induttori è pari alla somma del flusso concatenato ad ogni singolo elemento e quindi di conseguenza:

Formule per il calcolo dell’induttanza

1. Formula per il calcolo dell’induttanza in un induttore cilindrico:

L = Induttanza in henry (H)

μ₀ = Permeabilità magnetica assoluta dell’aria (praticamente uguale a quella dello spazio vuoto) = 4π × 10^-7 H/m

μ_r = permeabilità relativa del materiale costituente il nucleo magnetico

N = numero di spire

A = area della sezione del nucleo magnetico in metri quadri (m²)

l = lunghezza del nucleo in metri (m)

2. Induttanza di un filo diritto conduttore:

L = induttanza in H

l = lunghezza del conduttore in metri

d = diametro del conduttore in metri

Quindi un conduttore lungo 10 mm con un diametro di 1 mm ha un’induttanza di circa 5,38 nH ma lo stesso filo lungo 100 mm ha un’induttanza di 100 nH

3. Induttanza di un induttore corto cilindrico senza nucleo magnetico in funzione dei suoi parametri geometrici:

L = induttanza in µH

r = raggio esterno dell’avvolgimento in pollici

l = lunghezza dell’avvolgimento in pollici

N = numero di spire

4. Induttanza di un induttore cilindrico a più strati in aria (senza nucleo magnetico):

L = induttanza in µH

r = raggio medi dell’avvolgimento in pollici

l = lunghezza degli avvolgimenti in pollici

N = numero di spire

d = spessore degli avvolgimenti (cioè raggio esterno meno raggio interno

5. Induttanza di un filo avvolto a spirale piatta senza nucleo magnetico:

L = induttanza in H

r = raggio medio della spirale in metri

N = numero di spire

d = spessore dell’avvolgimento (cioè raggio esterno meno raggio interno)

Quindi un avvolgimento a spirale di 8 spire, raggio medio di 25 mm e spessore di 10 mm dovrebbe avere un’induttanza di 5,13 µH.

6. Induttanza di un avvolgimento su un materiale magnetico di forma toroidale (di sezione circolare) di cui sia nota la permeabilità magnetica relativa μ_r:

L = induttanza in H

μ₀ = permeabilità del vuoto = 4π × 10^-7 H/m

μ_r = permeabilità relativa del materiale magnetico

N = numero di spire

r = raggio dell’avvolgimento in metri

D = diametro totale del toroide in metri

Le formule riportate sopra danno risultati approssimativi (specialmente la secona, quella di un filo conduttore diritto). La più precisa è la sesta che si riferisce ad un induttore toroidale.

Va notato che, negli avvolgimenti circolari, l’induttanza è proporzionale al quadrato del numero delle spire. Questo è utile nella pratica perché, nota l’induttana ed il numero di spire di un induttore, si può facilmente modificare l’induttanza variando il numero di spire con una discreta precisione.

Valvola termoionica

La valvola termoionica (o tubo a vuoto) è stato il primo componente elettronico “attivo” realizzato dall’uomo. Per “attivo” si intende un componente che, grazie ad una fonte esterna di energia, è in grado di innalzare la potenza di un segnale posto al suo ingresso. Il suo funzionamento di massima è semplice: la corrente passa fra due elettrodi: l’anodo ed il catodo, a seconda della tensione a cui sono posti e a seconda della tensione a cui sono poste alcune parti metalliche (griglie) frapposte ai due. Il catodo, terminale negativo, emette elettroni per effetto termoionico, cioè per riscaldamento.

Per essere precisi, poiché il flusso di corrente è dovuto agli elettroni e non a ioni, taluni definiscono il dispositivo valvola termoelettronica.

Sino agli anni Sessanta, tubi termoionici di vari tipi venivano impiegati in quantità in apparecchiature elettroniche quali ricevitori e trasmettitori radio, televisori ed in generale in tutti i tipi di amplificatori di segnali elettrici. Anche i primi calcolatori elettronici furono realizzati interamente mediante tubi termoionici.

Sebbene oggi i transistor, nelle loro varie forme e tipologie, abbiano soppiantato le valvole in quasi ogni applicazione, esse restano gli unici mezzi per amplificare segnali a potenze molto alte, dell’ordine del Kilowatt o ancora superiori, e per particolari apparati audio di alta fedeltà. Le valvole termoioniche possono essere vantaggiosamente impiegate al posto del transistor in presenza di esposizione a radiazioni ionizzanti poiché, a differenza dei primi, ne risultano immuni.

Un tubo a vuoto, il magnetron, è presente in ogni comune forno a microonde. Anche il tubo catodico dei televisori non è altro che un particolare tipo di tubo termoionico.

Principio di funzionamento

Schema di un triodo

Il tubo termoionico è costruttivamente simile alla comunissima lampadina, ovvero non è altro che un involucro di vetro (in alcuni modelli è in metallo) nel quale è praticato il vuoto contenente un filamento metallico che viene portato all’incandescenza (tra i 1000 ed i 3000 gradi centigradi) facendogli passare attraverso una corrente elettrica. A differenza della lampadina però contiene uno o più elementi metallici (a forma di griglia o di schermi), collegabili dall’esterno. Il filamento metallico, o meglio un tubicino metallico che lo avvolge, è chiamato catodo, mentre l’elemento metallico più esterno è chiamato anodo. Eventuali elementi intermedi sono chiamati griglie di controllo.

Il principio di funzionamento del tubo termoionico è quello dell’emissione termoionica, per la quale ogni metallo, soprattutto se ad alte temperature, emette elettroni, che sono cariche elettriche elementari di segno negativo. Ora se il catodo è polarizzato negativamente rispetto all’anodo, ovvero se il catodo è collegato al polo negativo di una batteria e l’anodo a quello positivo, si stabilirà un flusso di elettroni, ovvero una corrente elettrica, tra il catodo e l’anodo (questo perché gli elettroni negativi vengono attratti dall’anodo). Se la polarizzazione è quella contraria, invece, nessuna corrente elettrica passerà tra catodo ed anodo, perché in tal caso l’anodo respingerà gli elettroni. Il risultato è quello di un dispositivo in grado di far passare solo la corrente in un senso, detto rettificatore oppure diodo.

Nei primi tipi di valvola, il catodo era a riscaldamento diretto, ossia il catodo era costituito dal filamento stesso. Successivamente il sistema venne abbandonato, visti i problemi legati alla necessità di poter far lavorare i catodi a tensioni diverse (vedi valvole multiple, doppi triodi, triodi-pentodi). Il compito di scaldare il catodo è oggi affidato universalmente a un filamento in tutto e per tutto simile a quello delle lampadine a bassa tensione, inserito all’interno di un tubetto in lega di nichel rivestito di elementi che favoriscono l’emissione elettronica (ossidi di bario e stronzio), che costituisce il catodo. Questa soluzione, detta a riscaldamento indiretto, consente inoltre di alimentare i filamenti di differenti valvole di una apparecchiatura con una fonte comune, solitamente un avvolgimento secondario apposito di un trasformatore. Il collegamento tra i diversi filamenti può essere in serie o in parallelo.

Se tra catodo ed anodo viene posta una griglia metallica, è intuitivo che se questa è polarizzata positivamente rispetto al catodo, ma meno dell’anodo, gli elettroni emessi dal catodo vi saranno attratti e quindi passeranno attraverso le maglie della griglia per raggiungere l’anodo. Contrariamente, se la griglia è polarizzata negativamente, questa respingerà gli elettroni provenienti dal catodo. Pertanto applicando una tensione variabile tra catodo e griglia, si otterrà un passaggio di corrente tra catodo ed anodo che seguirà, amplificandolo, l’andamento del segnale alla griglia. L’effetto risultante è quello di un’amplificazione di corrente ed un tubo termoionico siffatto si dice triodo.

Il triodo e le sue varianti (tetrodo, pentodo, eptodo, ecc. così chiamati all’aumentare delle griglie di controllo) sono stati i primi dispositivi elettronici fondamentali per l’amplificazione dei segnali elettrici, agli albori dell’elettronica, compiendo quelle funzioni oggi quasi interamente realizzate dai transistori.